LED显示屏芯片寿命试验过程
编辑：Kily [ 2009-12-9 9:25:09 ] 文章来源：LED大屏网
根据提出了寿命试验条件 , 介绍了 LED 显示屏芯片 寿命试验过程 . 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。低环境要求使 LED 应用范围加大可靠的 LED 芯片质量将延长 LED 使用寿命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、平安 , 而且试验容量大 ;
1 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、乡村夜景工程、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 , 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 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 , 而我试验的主要目的 , 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。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 ф 5 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 额定值的 1.5 倍 , 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（外延片是指用外延工艺在衬底外表生长薄膜所生片的单晶硅片。一般外延层厚度为 2-20 微米 , 作为衬底的单晶硅片厚度为 610 微米左右。
外延工艺：外延生长技术发展于 20 世纪 50 年代末 60 年代初 , 为了制造高频大功率器件 , 需要减小集电极串联电阻。生长外延层有多种方法 , 但采用最多的气相外延工艺 , 常使用高频感应炉加热 , 衬底置于包有碳化硅、玻璃态石墨或热分解石墨的高纯石墨加热体上 , 然后放进石英反应器中 , 也可采用红外辐照加热。为了克服外延工艺中的某些缺点 , 外延生长工艺已有很多新的进展：减压外延、低温外延、选择外延、抑制外延和分子束外延等。外延生长可分为多种 , 依照衬底和外延层的化学成分不同 , 可分为同质外延和异质外延；依照反应机理可分为利用化学反应的外延生长和利用物理反应的外延生长；按生长过程中的相变方式可分为气相外延、液相外延和固相外延等。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ф 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 小时或以上的称为临时寿命试验。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 , 与实际应用情况差别较大 , 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。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方法 , 具有一定的风险性。首先 , 产品质量具备一定水平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 , 采取分区随机抽样的方法 , 以提高寿命试验结果准确性。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 , 规定了加严寿命试验的方法 , 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 , 肯定造成人力、物力和时间的浪费 , 试验利息上升。如何处置风险和成本的关系 , 一直是研究的内容 , 目标是通过采取科学的抽样方法 , 同一试验利息下 , 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 , 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；初期我采用丈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 , 丈量重复性差 , 影响寿命试验结果的客观性和准确性 , 为了防止出现这种情况 , 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发生应力 , 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资料受紫外线照射后透明度降低 , 高分子资料的光老化 , 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 小时或以上临时寿命试验 , 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资料 , 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 正极与正极、负极与负极并联连接 , 其特点是每个 LED 工作电压一样 , 总电流为Σ Ifn, 为了实现每个 LED 工作电流 If 一致 , 要求每个 LED 正向电压也要一致。但是 , 器件之间特性参数存在一定差异 , 且 LED 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异 , 而引发工作电流 If 差异 , 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 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 正极对负极连接成串 , 其优点通过每个 LED 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。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。采用罕见 78 系 列电源电路 IC 构成的 LED 恒流驱动线路 , 其特点是利息低、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 ; 台架为一般规范组合式货架 , 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 平安电压 , 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 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 , 保证平安性能。LED 显示屏 芯片寿命试验方法和装置
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