LED芯片寿命 试验方法

1、引言
作为电子元器件，发光二极管（LightEmittingDiode-LED）已出现40多年，但长久以来，受到发光效率和亮度的限制，仅为指示灯所采用，直到上世纪末突破了技术瓶颈，生产出高亮度高效率的LED和兰光LED，使其应用范围扩展到信号灯、城市夜景工程、全彩屏等，提供了作为照明光源的可能性。随着LED应用范围的加大，提高LED可靠性具有更加重要的意义。LED具有高可靠性和长寿命的优点，在实际生产研发过程中，需要通过寿命试验对LED芯片的可靠性水平进行评价，并通过质量反馈来提高LED芯片的可靠性水平，以保证LED芯片质量，为此我司在实现全色系LED产业化的同时，开发了LED芯片寿命试验的条件、方法、手段和装置等，以提高寿命试验的科学性和结果的准确性。

2、寿命试验条件的确定
电子产品在规定的工作及环境条件下，进行的工作试验称为寿命试验，又称耐久性试验。随着LED生产技术水平的提高，产品的寿命和可靠性大为改观，LED的理论寿命为10万小时，如果仍采用常规的正常额定应力下的寿命试验，很难对产品的寿命和可靠性做出较为客观的评价，而我们试验的主要目的是，通过寿命试验掌握LED芯片光输出衰减状况，进而推断其寿命。我们根据LED器件的特点，经过对比试验和统计分析，最终规定了0.3×～0.3mm2以下芯片的寿命试验条件：
●样品随机抽取，数量为8～10粒芯片，制成ф5单灯；
●工作电流为30mA；
●环境条件为室温（25℃±5℃）；
●试验周期为96小时、1000小时和5000小时三种；
工作电流为30mA是额定值的1.5倍，是加大电应力的寿命试验，其结果虽然不能代表真实的寿命情况，但是有很大的参考价值；寿命试验以外延片生产批为母样，随机抽取其中一片外延片中的8~10粒芯片，封装成ф5单灯器件，进行为96小时寿命试验，其结果代表本生产批的所有外延片。一般认为，试验周期为1000小时或以上的称为长期寿命试验。生产工艺稳定时，1000小时的寿命试验频次较低，5000小时的寿命试验频次可更低。
 
3、过程与注意事项
对于LED芯片寿命试验样本，可以采用芯片，一般称为裸晶，也可以采用经过封装后的器件。采用裸晶形式，外界应力较小，容易散热，因此光衰小、寿命长，与实际应用情况差距较大，虽然可通过加大电流来调整，但不如直接采用单灯器件形式直观。采用单灯器件形式进行寿命试验，造成器件的光衰老化的因素复杂，可能有芯片的因素，也有封装的因素。在试验过程中，采取多种措施，降低封装的因素的影响，对可能影响寿命试验结果准确性的细节，逐一进行改善，保证了寿命试验结果的客观性和准确性。
3.1样品抽取方式
寿命试验只能采用抽样试验的评估办法，具有一定的风险性。首先，产品质量具备一定程度的均匀性和稳定性是抽样评估的前提，只有认为产品质量是均匀的，抽样才具有代表性；其次，由于实际产品质量上存在一定的离散性，我们采取分区随机抽样的办法，以提高寿命试验结果准确性。我们通过查找相关资料和进行大量的对比试验，提出了较为科学的样品抽取方式：将芯片按其在外延片的位置分为四区，分区情况参见图一所示，每区2～3粒芯片，共8～10粒芯片，对于不同器件寿命试验结果相差悬殊，甚至矛盾的情况，我们规定了加严寿命试验的办法，即每区4～6粒芯片，共16～20粒芯片，按正常条件进行寿命试验，只是数量加严，而不是试验条件加严；第三，一般地说，抽样数量越多，风险性越小，寿命试验结果的结果越准确，但是，抽样数量越多抽样数量过多，必然造成人力、物力和时间的浪费，试验成本上升。如何处理风险和成本的关系，一直是我们研究的内容，我们的目标是通过采取科学的抽样方法，在同一试验成本下，使风险性下降到最低。
3.2光电参数测试方法与器件配光曲线
在LED寿命试验中，先对试验样品进行光电参数测试筛选，淘汰光电参数超规或异常的器件，合格者进行逐一编号并投入寿命试验，完成连续试验后进行复测，以获得寿命试验结果。为了使寿命试验结果客观、准确，除做好测试仪器的计量外，还规定原则上试验前后所采用的是同一台测试仪测试，以减少不必要的误差因素，这一点对光参数尤为重要；初期我们采用测量器件光强的变化来判断光衰状况，一般测试器件的轴向光强，对于配光曲线半角较小的器件，光强值的大小随几何位置而急剧变化，测量重复性差，影响寿命试验结果的客观性和准确性，为了避免出现这种情况，采用大角度的封装形式，并选用无反射杯支架，排除反射杯配光作用，消除器件封装形式配光性能的影响，提高光参数测试的精确度，后续通过采用光通量测量得到验证。
3.3封装工艺对寿命试验的影响
封装工艺对寿命试验影响较大，虽然采用透明树脂封装，可用显微镜直接观察到内部固晶、键合等情况，以便进行失效分析，但是并不是所有的封装工艺缺陷都能观察到，例如：键合焊点质量与工艺条件是温度和压力关系密切，而温度过高、压力太大则会使芯片发生形变产生应力，从而引进位错，甚至出现暗裂，影响发光效率和寿命。引线键合、树脂封装引人的应力变化，如散热、膨胀系数等都是影响寿命试验的重要因素，其寿命试验结果较裸晶寿命试验差，但是对于目前小功率芯片，加大了考核的质量范围，寿命试验结果更加接近实际使用情况，对生产控制有一定参考价值。
3.4树脂劣变对寿命试验的影响
现有的环氧树脂封装材料受紫外线照射后透明度降低，是高分子材料的光老化，是紫外线和氧参与下的一系列复杂反应的结果，一般认为是光引发的自动氧化过程。树脂劣变对寿命试验结果的影响，主要体现1000小时或以上长期寿命试验，目前只能通过尽可能减少紫外线的照射，来提高寿命试验结果的果客观性和准确性。今后还可通过选择封装材料，或者检定出环氧树脂的光衰值，并将其从寿命试验中排除。
4、寿命试验台的设计
寿命试验台由寿命试验单元板、台架和专用电源设备组成，可同时进行550组（4400只）LED寿命试验。
根据寿命试验条件的要求，LED可采用并联和串联两种连接驱动形式。并联连接形式：即将多个LED的正极与正极、负极与负极并联连接，其特点是每个LED的工作电压一样，总电流为ΣIfn，为了实现每个LED的工作电流If一致，要求每个LED的正向电压也要一致。但是，器件之间特性参数存在一定差别，且LED的正向电压Vf随温度上升而下降，不同LED可能因为散热条件差别，而引发工作电流If的差别，散热条件较差的LED，温升较大，正向电压Vf下降也较大，造成工作电流If上升。虽然可以通过加入串联电阻限流减轻上述现象，但存在线路复杂、工作电流If差别较大、不能适用不同VF的LED等缺点，因此不宜采用并联连接驱动形式。
串联连接形式：即将多个LED的正极对负极连接成串，其优点通过每个LED的工作电流一样，一般应串入限流电阻R，如图二为单串电路，当出现一个LED开路时，将导致这串8个LED熄灭，从原理上LED芯片开路的可能性极小。我们认为寿命试验的LED，以恒流驱动和串联连接的工作方式为佳。采用常见78系列电源电路IC构成的LED恒流驱动线路，其特点是成本低、结构简单、可靠性高；通过调整电位器阻值，即可方便调整恒流电流；适用电源电压范围大，驱动电流较精确稳定，电源电压变化影响较小。
台架为一般标准组合式货架，经过合理布线，使每一单元板可容易加载和卸载，实现在线操作。专用电源设备，输出为5路直流36V安全电压，负载能力为5A，其中2路具有微电脑定时控制功能，可自动开启或关闭，5路输入、输出分别指示。
本寿命试验台设计方案的优点：
●寿命试验电流准确、可调、恒定；
●具有微电脑定时控制功能，可自动开启或关闭；
●可同时适用不同VF的LED，而不必另外调整；
●采用单元组合结构，可随时增加寿命试验单元，实现在线操作；
●采用低压供电，保障安全性能。