1、引言
作為電子元器件,，發(fā)光二極管（Light Emitting Diode-led）已出現(xiàn)40多年，但長久以來,，受到發(fā)光效率和亮度的限制,，僅為指示燈所采用，直到上世紀末突破了技術(shù)瓶頸,，生產(chǎn)出高亮度高效率的 LED和蘭光LED,，使其應(yīng)用范圍擴展到信號燈、城市夜景工程,、全彩屏等,，提供了作為照明光源的可能性。隨著LED應(yīng)用范圍的加大,，提高LED可靠性具有更加重要的意義,。LED具有高可靠性和長壽命的優(yōu)點，在實際生產(chǎn)研發(fā)過程中,，需要通過壽命試驗對LED芯片的可靠性水平進行評價,，并通過質(zhì)量反饋來提高 LED芯片的可靠性水平，以保證LED芯片質(zhì)量,，為此在實現(xiàn)全色系LED產(chǎn)業(yè)化的同時,，開發(fā)了LED芯片壽命試驗的條件、方法,、手段和裝置等,，以提高壽命試驗的科學(xué)性和結(jié)果的準確性。
2,、壽命試驗條件的確定
電子產(chǎn)品在規(guī)定的工作及環(huán)境條件下,，進行的工作試驗稱為壽命試驗，又稱耐久性試驗,。隨著LED生產(chǎn)技術(shù)水平的提高,，產(chǎn)品的壽命和可靠性大為改觀，LED的理論壽命為10萬小時,，如果仍采用常規(guī)的正常額定應(yīng)力下的壽命試驗,，很難對產(chǎn)品的壽命和可靠性做出較為客觀的評價，而我們試驗的主要目的是,，通過壽命試驗掌握LED芯片光輸出衰減狀況,，進而推斷其壽命。根據(jù)LED器件的特點,，經(jīng)過對比試驗和統(tǒng)計分析,，最終規(guī)定了0.3×～0.3mm2以下芯片的壽命試驗條件：
[1].樣品隨機抽取，數(shù)量為8～10粒芯片,，制成ф5單燈,；
[2].工作電流為30mA；
[3].環(huán)境條件為室溫（25℃±5℃）,；
[4].試驗周期為96小時,、1000小時和5000小時三種；
工作電流為30mA是額定值的1.5倍,，是加大電應(yīng)力的壽命試驗,，其結(jié)果雖然不能代表真實的壽命情況，但是有很大的參考價值,；壽命試驗以外延片生產(chǎn)批為母樣,，隨機抽取其中一片外延片中的8~10粒芯片，封裝成ф5單燈器件,，進行為96小時壽命試驗,，其結(jié)果代表本生產(chǎn)批的所有外延片。一般認為,，試驗周期為 1000小時或以上的稱為長期壽命試驗,。生產(chǎn)工藝穩(wěn)定時,，1000小時的壽命試驗頻次較低，5000小時的壽命試驗頻次可更低,。
3,、過程與注意事項
對于LED芯片壽命試驗樣本，可以采用芯片,，一般稱為裸晶,，也可以采用經(jīng)過封裝后的器件。采用裸晶形式,，外界應(yīng)力較小,，容易散熱，因此光衰小,、壽命長,，與實際應(yīng)用情況差距較大，雖然可通過加大電流來調(diào)整,，但不如直接采用單燈器件形式直觀,。采用單燈器件形式進行壽命試驗，造成器件的光衰老化的因素復(fù)雜,，可能有芯片的因素,，也有封裝的因素。在試驗過程中,，采取多種措施,，降低封裝的因素的影響，對可能影響壽命試驗結(jié)果準確性的細節(jié),，逐一進行改善,，保證了壽命試驗結(jié)果的客觀性和準確性。
1,、引言
作為電子元器件,，發(fā)光二極管（Light Emitting Diode-led）已出現(xiàn)40多年，但長久以來,，受到發(fā)光效率和亮度的限制,，僅為指示燈所采用，直到上世紀末突破了技術(shù)瓶頸,，生產(chǎn)出高亮度高效率的 LED和蘭光LED,，使其應(yīng)用范圍擴展到信號燈、城市夜景工程,、全彩屏等,，提供了作為照明光源的可能性。隨著LED應(yīng)用范圍的加大，提高LED可靠性具有更加重要的意義,。LED具有高可靠性和長壽命的優(yōu)點,，在實際生產(chǎn)研發(fā)過程中，需要通過壽命試驗對LED芯片的可靠性水平進行評價,，并通過質(zhì)量反饋來提高 LED芯片的可靠性水平,，以保證LED芯片質(zhì)量，為此在實現(xiàn)全色系LED產(chǎn)業(yè)化的同時,，開發(fā)了LED芯片壽命試驗的條件、方法,、手段和裝置等,，以提高壽命試驗的科學(xué)性和結(jié)果的準確性。
2,、壽命試驗條件的確定
電子產(chǎn)品在規(guī)定的工作及環(huán)境條件下,，進行的工作試驗稱為壽命試驗，又稱耐久性試驗,。隨著LED生產(chǎn)技術(shù)水平的提高,，產(chǎn)品的壽命和可靠性大為改觀，LED的理論壽命為10萬小時,，如果仍采用常規(guī)的正常額定應(yīng)力下的壽命試驗,，很難對產(chǎn)品的壽命和可靠性做出較為客觀的評價，而我們試驗的主要目的是,，通過壽命試驗掌握LED芯片光輸出衰減狀況,，進而推斷其壽命。根據(jù)LED器件的特點,，經(jīng)過對比試驗和統(tǒng)計分析,，最終規(guī)定了0.3×～0.3mm2以下芯片的壽命試驗條件：
[1].樣品隨機抽取，數(shù)量為8～10粒芯片,，制成ф5單燈,；
[2].工作電流為30mA；
[3].環(huán)境條件為室溫（25℃±5℃）,；
[4].試驗周期為96小時,、1000小時和5000小時三種；
工作電流為30mA是額定值的1.5倍,，是加大電應(yīng)力的壽命試驗,，其結(jié)果雖然不能代表真實的壽命情況，但是有很大的參考價值,；壽命試驗以外延片生產(chǎn)批為母樣,，隨機抽取其中一片外延片中的8~10粒芯片，封裝成ф5單燈器件,，進行為96小時壽命試驗,，其結(jié)果代表本生產(chǎn)批的所有外延片,。一般認為，試驗周期為 1000小時或以上的稱為長期壽命試驗,。生產(chǎn)工藝穩(wěn)定時,，1000小時的壽命試驗頻次較低，5000小時的壽命試驗頻次可更低,。
3,、過程與注意事項
對于LED芯片壽命試驗樣本，可以采用芯片,，一般稱為裸晶,，也可以采用經(jīng)過封裝后的器件。采用裸晶形式,，外界應(yīng)力較小,，容易散熱，因此光衰小,、壽命長,，與實際應(yīng)用情況差距較大，雖然可通過加大電流來調(diào)整,，但不如直接采用單燈器件形式直觀,。采用單燈器件形式進行壽命試驗，造成器件的光衰老化的因素復(fù)雜,，可能有芯片的因素,，也有封裝的因素。在試驗過程中,，采取多種措施,，降低封裝的因素的影響，對可能影響壽命試驗結(jié)果準確性的細節(jié),，逐一進行改善,，保證了壽命試驗結(jié)果的客觀性和準確性。
3.1樣品抽取方式
壽命試驗只能采用抽樣試驗的評估辦法,，具有一定的風(fēng)險性,。首先，產(chǎn)品質(zhì)量具備一定程度的均勻性和穩(wěn)定性是抽樣評估的前提,，只有認為產(chǎn)品質(zhì)量是均勻的,，抽樣才具有代表性；其次,，由于實際產(chǎn)品質(zhì)量上存在一定的離散性,，我們采取分區(qū)隨機抽樣的辦法，以提高壽命試驗結(jié)果準確性。我們通過查找相關(guān)資料和進行大量的對比試驗,，提出了較為科學(xué)的樣品抽取方式：將芯片按其在外延片的位置分為四區(qū),，分區(qū)情況參見圖一所示，每區(qū)2～3粒芯片,，共8～10粒芯片,，對于不同器件壽命試驗結(jié)果相差懸殊，甚至矛盾的情況,，我們規(guī)定了加嚴壽命試驗的辦法,，即每區(qū)4～6粒芯片，共16～20粒芯片,，按正常條件進行壽命試驗,，只是數(shù)量加嚴，而不是試驗條件加嚴,；第三,，一般地說,，抽樣數(shù)量越多,，風(fēng)險性越小，壽命試驗結(jié)果的結(jié)果越準確,，但是,，抽樣數(shù)量越多抽樣數(shù)量過多，必然造成人力,、物力和時間的浪費,，試驗成本上升。如何處理風(fēng)險和成本的關(guān)系,，一直是我們研究的內(nèi)容,，我們的目標是通過采取科學(xué)的抽樣方法，在同一試驗成本下,，使風(fēng)險性下降到最低,。
3.2光電參數(shù)測試方法與器件配光曲線
在LED壽命試驗中，先對試驗樣品進行光電參數(shù)測試篩選,，淘汰光電參數(shù)超規(guī)或異常的器件,，合格者進行逐一編號并投入壽命試驗，完成連續(xù)試驗后進行復(fù)測,，以獲得壽命試驗結(jié)果,。為了使壽命試驗結(jié)果客觀、準確,，除做好測試儀器的計量外,，還規(guī)定原則上試驗前后所采用的是同一臺測試儀測試，以減少不必要的誤差因素，這一點對光參數(shù)尤為重要,；初期我們采用測量器件光強的變化來判斷光衰狀況,，一般測試器件的軸向光強，對于配光曲線半角較小的器件,，光強值的大小隨幾何位置而急劇變化,，測量重復(fù)性差，影響壽命試驗結(jié)果的客觀性和準確性,，為了避免出現(xiàn)這種情況,，采用大角度的封裝形式，并選用無反射杯支架,，排除反射杯配光作用,，消除器件封裝形式配光性能的影響，提高光參數(shù)測試的精確度,，后續(xù)通過采用光通量測量得到驗證,。
3.3封裝工藝對壽命試驗的影響
封裝工藝對壽命試驗影響較大，雖然采用透明樹脂封裝,，可用顯微鏡直接觀察到內(nèi)部固晶,、鍵合等情況，以便進行失效分析,，但是并不是所有的封裝工藝缺陷都能觀察到,，例如：鍵合焊點質(zhì)量與工藝條件是溫度和壓力關(guān)系密切，而溫度過高,、壓力太大則會使芯片發(fā)生形變產(chǎn)生應(yīng)力,，從而引進位錯，甚至出現(xiàn)暗裂,，影響發(fā)光效率和壽命,。引線鍵合、樹脂封裝引人的應(yīng)力變化,，如散熱,、膨脹系數(shù)等都是影響壽命試驗的重要因素，其壽命試驗結(jié)果較裸晶壽命試驗差,，但是對于目前小功率芯片,，加大了考核的質(zhì)量范圍，壽命試驗結(jié)果更加接近實際使用情況,，對生產(chǎn)控制有一定參考價值,。
3.4樹脂劣變對壽命試驗的影響
現(xiàn)有的環(huán)氧樹脂封裝材料受紫外線照射后透明度降低，是高分子材料的光老化,，是紫外線和氧參與下的一系列復(fù)雜反應(yīng)的結(jié)果,，一般認為是光引發(fā)的自動氧化過程,。樹脂劣變對壽命試驗結(jié)果的影響，主要體現(xiàn)1000小時或以上長期壽命試驗,，目前只能通過盡可能減少紫外線的照射,，來提高壽命試驗結(jié)果的果客觀性和準確性。今后還可通過選擇封裝材料,，或者檢定出環(huán)氧樹脂的光衰值,，并將其從壽命試驗中排除。
4,、壽命試驗臺的設(shè)計
壽命試驗臺由壽命試驗單元板,、臺架和專用電源設(shè)備組成，可同時進行550組（4400只）LED壽命試驗,。
根據(jù)壽命試驗條件的要求,，LED可采用并聯(lián)和串聯(lián)兩種連接驅(qū)動形式。并聯(lián)連接形式：即將多個LED的正極與正極,、負極與負極并聯(lián)連接,，其特點是每個LED 的工作電壓一樣，總電流為ΣIfn,，為了實現(xiàn)每個LED的工作電流If一致,，要求每個LED的正向電壓也要一致。但是,，器件之間特性參數(shù)存在一定差別,，且 LED的正向電壓Vf隨溫度上升而下降,，不同LED可能因為散熱條件差別,，而引發(fā)工作電流If的差別，散熱條件較差的LED,，溫升較大,，正向電壓Vf下降也較大，造成工作電流If上升,。雖然可以通過加入串聯(lián)電阻限流減輕上述現(xiàn)象,，但存在線路復(fù)雜、工作電流If差別較大,、不能適用不同VF的LED等缺點,，因此不宜采用并聯(lián)連接驅(qū)動形式。
串聯(lián)連接形式：即將多個LED的正極對負極連接成串,，其優(yōu)點通過每個LED的工作電流一樣,，一般應(yīng)串入限流電阻R，如圖二為單串電路,，當出現(xiàn)一個LED開路時,，將導(dǎo)致這串8個LED熄滅,，從原理上LED芯片開路的可能性極小。我們認為壽命試驗的LED,，以恒流驅(qū)動和串聯(lián)連接的工作方式為佳,。 采用常見78系列電源電路IC構(gòu)成的LED恒流驅(qū)動線路，其特點是成本低,、結(jié)構(gòu)簡單,、可靠性高；通過調(diào)整電位器阻值,，即可方便調(diào)整恒流電流,；適用電源電壓范圍大，驅(qū)動電流較精確穩(wěn)定,，電源電壓變化影響較小,。我們以圖二電路為基本路線，并聯(lián)構(gòu)成壽命試驗單元板,，每一單元板可同時進行11組（88只）LED壽命試驗,。
臺架為一般標準組合式貨架，經(jīng)過合理布線,，使每一單元板可容易加載和卸載,，實現(xiàn)在線操作。專用電源設(shè)備,，輸出為5路直流36V安全電壓,，負載能力為5A，其中2路具有微電腦定時控制功能,，可自動開啟或關(guān)閉,，5路輸入、輸出分別指示,，圖三為壽命試驗臺系統(tǒng)接線圖,。
本壽命試驗臺設(shè)計方案的優(yōu)點：
[1].壽命試驗電流準確、可調(diào),、恒定,；
[2].具有微電腦定時控制功能，可自動開啟或關(guān)閉,；
[3].可同時適用不同VF的LED,，而不必另外調(diào)整；
[4].采用單元組合結(jié)構(gòu),，可隨時增加壽命試驗單元,，實現(xiàn)在線操作；
[5].采用低壓供電,，保障安全性能,。