LED顯示屏壽命的試驗(yàn)方法和設(shè)備

　　作為電子元器件,發(fā)光二極管（LightEmittingDiode-LED）已出現(xiàn)40多年,但長(zhǎng)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(jì)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(kuò)展到信號(hào)燈、城市夜景工程、全彩屏等,提供了作為照明光源的可能性。LED顯示屏的應(yīng)用越來(lái)越多，而做為一項(xiàng)很重要的指標(biāo)LED顯示屏的芯片壽命也受到越來(lái)越多的重視。下面就討論下LED顯示屏芯片的壽命測(cè)試驗(yàn)的方法和設(shè)備。

　　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(zhǎng)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(yàn)對(duì) LED芯片的可靠性水平進(jìn)行評(píng)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(xiàn)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(yàn)的條件、方法、手段和裝置等,以提高壽命試驗(yàn)的科學(xué)性和結(jié)果的準(zhǔn)確性。

　　壽命試驗(yàn)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(jìn)行的工作試驗(yàn)稱為壽命試驗(yàn),又稱耐久性試驗(yàn)。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(wàn)小時(shí),如果仍采用常規(guī)的正常額定應(yīng)力下的壽命試驗(yàn),很難對(duì)產(chǎn)品的壽命和可靠性做出較為客觀的評(píng)價(jià),而我們?cè)囼?yàn)的主要目的是,通過(guò)壽命試驗(yàn)掌握LED芯片光輸出衰減狀況,進(jìn)而推斷其壽命。我們根據(jù)LED器件的特點(diǎn),經(jīng)過(guò)對(duì)比試驗(yàn)和統(tǒng)計(jì)分析,最終規(guī)定了0.3×～0.3mm2以下芯片的壽命試 驗(yàn)條件,樣品隨機(jī)抽取,數(shù)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(yàn)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(yīng)力的壽命試驗(yàn),其結(jié)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(yàn)以外延片（外延片是指用外延工藝在襯底表面生長(zhǎng)薄膜所生片的單晶硅片。一般外延層厚度為2-20微米,作為襯底的單晶硅片厚度為610微米左右。生產(chǎn)批為母樣,隨機(jī)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(yàn),其結(jié)果代表本生產(chǎn)批的所有外延片。一般認(rèn)為,試驗(yàn)周期為 1000小時(shí)或以上的稱為長(zhǎng)期壽命試驗(yàn)。生產(chǎn)工藝穩(wěn)定時(shí),1000小時(shí)的壽命試驗(yàn)頻次較低,5000小時(shí)的壽命試驗(yàn)頻次可更低。

　　過(guò)程與注意事項(xiàng),對(duì)于LED芯片壽命試驗(yàn)樣本,可以采用芯片,一般稱為裸晶,也可以采用經(jīng)過(guò)封裝后的器件。采用裸晶形式,外界應(yīng)力較小,容易散熱,因此光衰小、壽命長(zhǎng),與實(shí)際應(yīng)用情況差距較大,雖然可通過(guò)加大電流來(lái)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(jìn)行壽命試驗(yàn),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(yàn)過(guò)程中,采取多種措施,降低封裝的因素的影響,對(duì)可能影響壽命試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性的細(xì)節(jié),逐一進(jìn)行改善,保證了壽命試驗(yàn)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)確性。

　　品抽取方式 壽命試驗(yàn)只能采用抽樣試驗(yàn)的評(píng)估辦法,具有一定的風(fēng)險(xiǎn)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(píng)估的前提,只有認(rèn)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(qū)隨機(jī)抽樣的辦法,以提高壽命試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性。我們通過(guò)查找相關(guān)資料和進(jìn)行大量的對(duì) 比試驗(yàn),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),每區(qū)2～3粒芯片,共8～10粒芯片,對(duì)于不同器件壽 命試驗(yàn)結(jié)果相差懸殊,甚至矛盾的情況,我們規(guī)定了加嚴(yán)壽命試驗(yàn)的辦法,即每區(qū)4～6粒芯片,共16～20粒芯片,按正常條件進(jìn)行壽命試驗(yàn),只是數(shù)量加嚴(yán),而不是試驗(yàn)條件加嚴(yán)；

　　第三,一般地說(shuō),抽樣數(shù)量越多,風(fēng)險(xiǎn)性越小,壽命試驗(yàn)結(jié)果的結(jié)果越準(zhǔn)確,但是,抽樣數(shù)量越多抽樣數(shù)量過(guò)多,必然造成人力、物力和時(shí)間的浪費(fèi),試驗(yàn)成本上升。

　　如何處理風(fēng)險(xiǎn)和成本的關(guān)系,一直是我們研究的內(nèi)容,我們的目標(biāo)是通過(guò)采取科學(xué)的抽樣方法,在同一試驗(yàn)成本下,使風(fēng)險(xiǎn)性下降到最低;3.2光電參數(shù)測(cè)試方法與器件配光曲線,在LED壽命試驗(yàn)中,先對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行光電參數(shù)測(cè)試篩選,淘汰光電參數(shù)超規(guī)或異常的器件,合格者進(jìn)行逐一編號(hào)并投入壽命試驗(yàn),完成連續(xù)試驗(yàn)后進(jìn)行復(fù)測(cè),以獲得壽命試驗(yàn)結(jié)果。為了使壽命試驗(yàn)結(jié)果客觀、準(zhǔn)確,除做好測(cè)試儀器的計(jì)量外,還規(guī)定原則上試驗(yàn)前后所采用的是同一臺(tái)測(cè)試儀測(cè)試,以減少不必要的誤差因素, 這一點(diǎn)對(duì)光參數(shù)尤為重要；初期我們采用測(cè)量器件光強(qiáng)的變化來(lái)判斷光衰狀況,一般測(cè)試器件的軸向光強(qiáng),對(duì)于配光曲線半角較小的器件,光強(qiáng)值的大小隨幾何位置而急劇變化,測(cè)量重復(fù)性差,影響壽命試驗(yàn)結(jié)果的客觀性和準(zhǔn)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(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(shù)測(cè)試的精確度,后續(xù)通過(guò)采用光通量測(cè)量得到驗(yàn)證;3.3封裝工藝對(duì)壽命試驗(yàn)的影響,封裝工藝對(duì)壽命試驗(yàn)影響較大,雖然采用透明樹(shù)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(jìn)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(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(yīng)力,從而引進(jìn)位錯(cuò),甚至出現(xiàn)暗裂,影響發(fā)光效率 和壽命。引線鍵合、樹(shù)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(yàn)的重要因素,其壽命試驗(yàn)結(jié)果較裸晶壽命試驗(yàn)差,但是對(duì)于目前小功率芯片,加大了考核的質(zhì)量范圍,壽命試驗(yàn)結(jié)果更加接近實(shí)際使用情況,對(duì)生產(chǎn)控制有一定參考價(jià)值;3.4樹(shù)脂劣變對(duì)壽命試驗(yàn)的影響,現(xiàn)有的環(huán)氧樹(shù)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(rèn)為是光引發(fā)的自動(dòng)氧化過(guò)程。樹(shù)脂劣變對(duì)壽命試驗(yàn)結(jié)果的影響,主要體現(xiàn)1000小時(shí)或以上長(zhǎng)期壽命試驗(yàn),目前只能通過(guò)盡可能減少紫外線的照射,來(lái)提高壽命試驗(yàn)結(jié)果的果客觀性和準(zhǔn)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(yàn)中排除。

　　壽命試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì),壽命試驗(yàn)臺(tái)由壽命試驗(yàn)單元板、臺(tái)架和專用電源設(shè)備組成,可同時(shí)進(jìn)行550組（4400只）LED壽命試驗(yàn);根據(jù)壽命試驗(yàn)條件的要求,LED可采用并聯(lián)和串聯(lián)兩種連接驅(qū)動(dòng)形式。并聯(lián)連接形式：即將多個(gè)LED的正極與正極、負(fù)極與負(fù)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(xiàn)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(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?yàn)樯�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(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(diǎn),因 此不宜采用并聯(lián)連接驅(qū)動(dòng)形式;串聯(lián)連接形式：即將多個(gè)LED的正極對(duì)負(fù)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(yīng)串入限流電阻R,如圖二為單串電路,當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)LED開(kāi) 路時(shí),將導(dǎo)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(rèn)為壽命試驗(yàn)的LED,以恒流驅(qū)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(gòu)成的LED恒流驅(qū)動(dòng)線路,其特點(diǎn)是成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高。通過(guò)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(dòng)電流較精確穩(wěn)定,電源電壓變化影響較小;臺(tái)架為一般標(biāo)準(zhǔn)組合式貨架,經(jīng)過(guò)合理布線,使每一單元板可容易加載和卸載,實(shí)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(fù)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;本壽命試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)點(diǎn)：壽命試驗(yàn)電流準(zhǔn)確、可調(diào)、恒定;具有微電腦定時(shí)控制功能,可自動(dòng)開(kāi)啟或關(guān)閉;可同時(shí)適用不同VF的LED,而不必另外調(diào)整;采用單元組合結(jié)構(gòu),可隨時(shí)增加壽命試驗(yàn)單元,實(shí)現(xiàn)在線操作;采用低壓供電,保障安全性能。

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