led芯片寿命测试

1、LED 芯片寿命试验摘要 :介绍了 LED 芯片寿命试验过程 ,提出了寿命试验条件 ,完善的试验方案 ,消除可能影响寿命试验结果准确性的因素 ,保证了寿命试验结果的客观性和准确性。采用科学的试验线路和连接方式 ,使寿命试验台不但操作简便、安全 ,而且试验容量大。1、引言作为电子元器件 ,发光二极管 (Light Emitting Diode-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

2、 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

3、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 810 粒芯片 ,制成 5单灯 ;工作电流为 30mA;环境条件为室温 (255 ;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

4、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 810 粒芯片 ,封装成 5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。

5、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

6、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 23 粒芯片 ,共 810 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 1620 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

7、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

8、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

9、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

10、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 Ifn,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

11、 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

12、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。我们以图二电路为基本路线 ,并联构成寿命试验单元板 ,每一单元板可同时进行 11 组(88 只 LED 寿命试验。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 ,图三为寿命试验台系统接线图。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

13、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。1.外延片指的是在衬底上生长出的半导体薄膜,薄膜主要由 P 型,量子阱 ,N 型三个部分构成。现在主流的外延材料是氮化镓 (GaN,衬底材料主要有蓝宝石 ,硅,碳化硅三种 ,量子阱一般为 5 个 ,通常用的生产工艺为金属有机物气相外延 (MOCVD 。这是 LED 产业的核心部分 ,需要较高的技术以及较大的资金投入 (一台 MOCVD 一般要好几千万。2.外延片的检测一般分为两大类:一是光学性能检测 ,主要参数包括工作电压 ,光强 ,波长范围 ,半峰宽 ,色温 ,显色指数等等 ,这些数据可