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關(guān)注:2566 2020-12-05 09:47

如何檢驗LED芯片的可靠性

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作為電子元器件,發(fā)光二極管已出現40多年,但長(cháng)久以來(lái),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(zhù)LED應用范圍的加大,提高LED可靠性具有更加重要的意義。

 

LED具有高可靠性和長(cháng)壽命的優(yōu)點(diǎn),在實(shí)際生產(chǎn)研發(fā)過(guò)程中,需要通過(guò)壽命試驗對LED芯片的可靠性水平進(jìn)行評價(jià),并通過(guò)質(zhì)量反饋來(lái)提高LED芯片的可靠性水平,以保證LED芯片質(zhì)量,為此在實(shí)現全色系LED產(chǎn)業(yè)化的同時(shí),開(kāi)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)性和結果的準確性。

 

壽命試驗條件的確定

 

電子產(chǎn)品在規定的工作及環(huán)境條件下,進(jìn)行的工作試驗稱(chēng)為壽命試驗,又稱(chēng)耐久性試驗。

 

隨著(zhù)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(guān),LED的理論壽命為10萬(wàn)小時(shí),如果仍采用常規的正常額定應力下的壽命試驗,很難對產(chǎn)品的壽命和可靠性做出較為客觀(guān)的評價(jià),而我們試驗的主要目的是,通過(guò)壽命試驗掌握LED芯片光輸出衰減狀況,進(jìn)而推斷其壽命。

 

根據LED器件的特點(diǎn),經(jīng)過(guò)對比試驗和統計分析,最終規定了0.3×~0.3mm2以下芯片的壽命試驗條件:樣品隨機抽取,數量為8~10粒芯片,制成ф5單燈;工作電流為30mA;環(huán)境條件為室溫(25℃±5℃);試驗周期為96小時(shí)、1000小時(shí)和5000小時(shí)三種。

 

工作電流為30mA是額定值的1.5倍,是加大電應力的壽命試驗,其結果雖然不能代表真實(shí)的壽命情況,但是有很大的參考價(jià)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(jìn)行為96小時(shí)壽命試驗,其結果代表本生產(chǎn)批的所有外延片。

 

一般認為,試驗周期為1000小時(shí)或以上的稱(chēng)為長(cháng)期壽命試驗。生產(chǎn)工藝穩定時(shí),1000小時(shí)的壽命試驗頻次較低,5000小時(shí)的壽命試驗頻次可更低。

 

過(guò)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(chēng)為裸晶,也可以采用經(jīng)過(guò)封裝后的器件。采用裸晶形式,外界應力較小,容易散熱,因此光衰小、壽命長(cháng),與實(shí)際應用情況差距較大,雖然可通過(guò)加大電流來(lái)調整,但不如直接采用單燈器件形式直觀(guān)。

 

采用單燈器件形式進(jìn)行壽命試驗,造成器件的光衰老化的因素復雜,可能有芯片的因素,也有封裝的因素。在試驗過(guò)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果準確性的細節,逐一進(jìn)行改善,保證了壽命試驗結果的客觀(guān)性和準確性。

 

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(shí)際產(chǎn)品質(zhì)量上存在一定的離散性,我們采取分區隨機抽樣的辦法,以提高壽命試驗結果準確性。我們通過(guò)查找相關(guān)資料和進(jìn)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,每區2~3粒芯片,共8~10粒芯片,對于不同器件壽命試驗結果相差懸殊,甚至矛盾的情況,我們規定了加嚴壽命試驗的辦法,即每區4~6粒芯片,共16~20粒芯片,按正常條件進(jìn)行壽命試驗,只是數量加嚴,而不是試驗條件加嚴;

 

第三,一般地說(shuō),抽樣數量越多,風(fēng)險性越小,壽命試驗結果的結果越準確,但是,抽樣數量越多抽樣數量過(guò)多,必然造成人力、物力和時(shí)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容,我們的目標是通過(guò)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。

 

2、光電參數測試方法與器件配光曲線(xiàn)

 

在LED壽命試驗中,先對試驗樣品進(jìn)行光電參數測試篩選,淘汰光電參數超規或異常的器件,合格者進(jìn)行逐一編號并投入壽命試驗,完成連續試驗后進(jìn)行復測,以獲得壽命試驗結果。

 

為了使壽命試驗結果客觀(guān)、準確,除做好測試儀器的計量外,還規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(diǎn)對光參數尤為重要;初期我們采用測量器件光強的變化來(lái)判斷光衰狀況,一般測試器件的軸向光強,對于配光曲線(xiàn)半角較小的器件,光強值的大小隨幾何位置而急劇變化,測量重復性差,影響壽命試驗結果的客觀(guān)性和準確性,為了避免出現這種情況,采用大角度的封裝形式,并選用無(wú)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,提高光參數測試的精確度,后續通過(guò)采用光通量測量得到驗證。

 

3、樹(shù)脂劣變對壽命試驗的影響

 

現有的環(huán)氧樹(shù)脂封裝材料受紫外線(xiàn)照射后透明度降低,是高分子材料的光老化,是紫外線(xiàn)和氧參與下的一系列復雜反應的結果,一般認為是光引發(fā)的自動(dòng)氧化過(guò)程。樹(shù)脂劣變對壽命試驗結果的影響,主要體現1000小時(shí)或以上長(cháng)期壽命試驗,目前只能通過(guò)盡可能減少紫外線(xiàn)的照射,來(lái)提高壽命試驗結果的果客觀(guān)性和準確性。今后還可通過(guò)選擇封裝材料,或者檢定出環(huán)氧樹(shù)脂的光衰值,并將其從壽命試驗中排除。

 

4、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(shù)脂封裝,可用顯微鏡直接觀(guān)察到內部固晶、鍵合等情況,以便進(jìn)行失效分析,但是并不是所有的封裝工藝缺陷都能觀(guān)察到,例如:鍵合焊點(diǎn)質(zhì)量與工藝條件是溫度和壓力關(guān)系密切,而溫度過(guò)高、壓力太大則會(huì )使芯片發(fā)生形變產(chǎn)生應力,從而引進(jìn)位錯,甚至出現暗裂,影響發(fā)光效率和壽命。

 

引線(xiàn)鍵合、樹(shù)脂封裝引人的應力變化,如散熱、膨脹系數等都是影響壽命試驗的重要因素,其壽命試驗結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,壽命試驗結果更加接近實(shí)際使用情況,對生產(chǎn)控制有一定參考價(jià)值。

 

壽命試驗臺的設計

 

壽命試驗臺由壽命試驗單元板、臺架和專(zhuān)用電源設備組成,可同時(shí)進(jìn)行550組(4400只)LED壽命試驗。

 

根據壽命試驗條件的要求,LED可采用并聯(lián)和串聯(lián)兩種連接驅動(dòng)形式。并聯(lián)連接形式:即將多個(gè)LED的正極與正極、負極與負極并聯(lián)連接,其特點(diǎn)是每個(gè)LED的工作電壓一樣,總電流為ΣIfn,為了實(shí)現每個(gè)LED的工作電流If一致,要求每個(gè)LED的正向電壓也要一致。

 

但是,器件之間特性參數存在一定差別,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(guò)加入串聯(lián)電阻限流減輕上述現象,但存在線(xiàn)路復雜、工作電流If差別較大、不能適用不同VF的LED等缺點(diǎn),因此不宜采用并聯(lián)連接驅動(dòng)形式。

 

串聯(lián)連接形式:即將多個(gè)LED的正極對負極連接成串,其優(yōu)點(diǎn)通過(guò)每個(gè)LED的工作電流一樣,一般應串入限流電阻R,如圖二為單串電路,當出現一個(gè)LED開(kāi)路時(shí),將導致這串8個(gè)LED熄滅,從原理上LED芯片開(kāi)路的可能性極小。我們認為壽命試驗的LED,以恒流驅動(dòng)和串聯(lián)連接的工作方式為佳。

 

采用常見(jiàn)78系列電源電路IC構成的LED恒流驅動(dòng)線(xiàn)路,其特點(diǎn)是成本低、結構簡(jiǎn)單、可靠性高;通過(guò)調整電位器阻值,即可方便調整恒流電流;適用電源電壓范圍大,驅動(dòng)電流較精確穩定,電源電壓變化影響較小。我們以圖二電路為基本路線(xiàn),并聯(lián)構成壽命試驗單元板,每一單元板可同時(shí)進(jìn)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(guò)合理布線(xiàn),使每一單元板可容易加載和卸載,實(shí)現在線(xiàn)操作。專(zhuān)用電源設備,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(shí)控制功能,可自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉,5路輸入、輸出分別指示。


資訊來(lái)源:慧聰LED屏網(wǎng)

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