LED顯示屏芯片壽命試驗過程
編輯：Kily [ 2009-12-9 9:25:09 ] 文章來源：LED大屏網(wǎng)
根據(jù)提出了壽命試驗條件 , 介紹了 LED 顯示屏芯片 壽命試驗過程 . 完善的試驗方案 , 消除可能影響壽命試驗結(jié)果準確性的因素 , 保證了壽命試驗結(jié)果的客觀性和準確性。低環(huán)境要求使 LED 應(yīng)用范圍加大可靠的 LED 芯片質(zhì)量將延長 LED 使用壽命采用科學(xué)的試驗線路和連接方式 , 使壽命試驗臺不但操作簡便、平安 , 而且試驗容量大 ;
1 作為電子元器件 , 發(fā)光二極管（ LightEmittingDiode-LED 已出現(xiàn) 40 多年 , 但長久以來 , 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(yīng)用范圍擴展到信號燈、鄉(xiāng)村夜景工程、全彩屏等 , 提供了作為照明光源的可能性。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 具有高可靠性和長壽命的優(yōu)點 , 實際生產(chǎn)研發(fā)過程中 , 需要通過壽命試驗對 LED 芯片的可靠性水平進行評價 , 并通過質(zhì)量反饋來提高 LED 芯片的可靠性水平 , 以保證 LED 芯片質(zhì)量 , 為此在實現(xiàn)全色系 LED 產(chǎn)業(yè)化的同時 , 開發(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(jié)果的準確性 ;
2 壽命試驗條件的確定 , 電子產(chǎn)品在規(guī)定的工作及環(huán)境條件下 , 進行的工作試驗稱為壽命試驗 , 又稱耐久性試驗。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 理論壽命為 10 萬小時 , 如果仍采用常規(guī)的正常額定應(yīng)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的評價 , 而我試驗的主要目的 , 通過壽命試驗掌握 LED 芯片光輸出衰減狀況 , 進而推斷其壽命。根據(jù) LED 器件的特點 , 經(jīng)過對比試驗和統(tǒng)計分析 , 最終規(guī)定了 0.3 0.3mm2 以下芯片的壽命試 驗條件 , 樣品隨機抽取 , 數(shù)量為 8 10 粒芯片 , 制成 ф 5 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、 1000 小時和 5000 小時三種 , 工作電流為 30mA 額定值的 1.5 倍 , 加大電應(yīng)力的壽命試驗 , 其結(jié)果雖然不能代表真實的壽命情況 , 但是有很大的參考價值；壽命試驗以外延片（外延片是指用外延工藝在襯底外表生長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。
外延工藝：外延生長技術(shù)發(fā)展于 20 世紀 50 年代末 60 年代初 , 為了制造高頻大功率器件 , 需要減小集電極串聯(lián)電阻。生長外延層有多種方法 , 但采用最多的氣相外延工藝 , 常使用高頻感應(yīng)爐加熱 , 襯底置于包有碳化硅、玻璃態(tài)石墨或熱分解石墨的高純石墨加熱體上 , 然后放進石英反應(yīng)器中 , 也可采用紅外輻照加熱。為了克服外延工藝中的某些缺點 , 外延生長工藝已有很多新的進展：減壓外延、低溫外延、選擇外延、抑制外延和分子束外延等。外延生長可分為多種 , 依照襯底和外延層的化學(xué)成分不同 , 可分為同質(zhì)外延和異質(zhì)外延；依照反應(yīng)機理可分為利用化學(xué)反應(yīng)的外延生長和利用物理反應(yīng)的外延生長；按生長過程中的相變方式可分為氣相外延、液相外延和固相外延等。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ф 5 單燈器件 , 進行為 96 小時壽命試驗 , 其結(jié)果代表本生產(chǎn)批的所有外延片。一般認為 , 試驗周期為 1000 小時或以上的稱為臨時壽命試驗。生產(chǎn)工藝穩(wěn)定時 ,1000 小時的壽命試驗頻次較低 ,5000 小時的壽命試驗頻次可更低 ;
3 過程與注意事項 , 對于 LED 芯片壽命試驗樣本 , 可以采用芯片 , 一般稱為裸晶 , 也可以采用經(jīng)過封裝后的器件。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 , 與實際應(yīng)用情況差別較大 , 雖然可通過加大電流來調(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行壽命試驗 , 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。試驗過程中 , 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(jié)果準確性的細節(jié) , 逐一進行改善 , 保證了壽命試驗結(jié)果的客觀性和準確性。
3.1 樣品抽取方式 壽命試驗只能采用抽樣試驗的評估方法 , 具有一定的風(fēng)險性。首先 , 產(chǎn)品質(zhì)量具備一定水平的均勻性和穩(wěn)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 , 由于實際產(chǎn)品質(zhì)量上存在一定的離散性 , 采取分區(qū)隨機抽樣的方法 , 以提高壽命試驗結(jié)果準確性。通過查找相關(guān)資料和進行大量的對 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(qū) , 分區(qū)情況參見圖一所示 , 每區(qū) 2 3 粒芯片 , 共 8 10 粒芯片 , 對于不同器件壽 命試驗結(jié)果相差懸殊 , 甚至矛盾的情況 , 規(guī)定了加嚴壽命試驗的方法 , 即每區(qū) 4 6 粒芯片 , 共 16 20 粒芯片 , 按正常條件進行壽命試驗 , 只是數(shù)量加嚴 , 而不是試驗條件加嚴；第三 , 一般地說 , 抽樣數(shù)量越多 , 風(fēng)險性越小 , 壽命試驗結(jié)果的結(jié)果越準確 , 但是 , 抽樣數(shù)量越多抽樣數(shù)量過多 , 肯定造成人力、物力和時間的浪費 , 試驗利息上升。如何處置風(fēng)險和成本的關(guān)系 , 一直是研究的內(nèi)容 , 目標是通過采取科學(xué)的抽樣方法 , 同一試驗利息下 , 使風(fēng)險性下降到最低 ;
3.2 光電參數(shù)測試方法與器件配光曲線 , LED 壽命試驗中 , 先對試驗樣品進行光電參數(shù)測試篩選 , 淘汰光電參數(shù)超規(guī)或異常的器件 , 合格者進行逐一編號并投入壽命試驗 , 完成連續(xù)試驗后進行復(fù)測 , 以獲得壽命試驗結(jié)果。為了使壽命試驗結(jié)果客觀、準確 , 除做好測試儀器的計量外 , 還規(guī)定原則上試驗前后所采用的同一臺測試儀測試 , 以減少不必要的誤差因素 , 這一點對光參數(shù)尤為重要；初期我采用丈量器件光強的變化來判斷光衰狀況 , 一般測試器件的軸向光強 , 對于配光曲線半角較小的器件 , 光強值的大小隨幾何位置而急劇變化 , 丈量重復(fù)性差 , 影響壽命試驗結(jié)果的客觀性和準確性 , 為了防止出現(xiàn)這種情況 , 采用大角度的封裝形式 , 并選用無反射杯支架 , 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)測試的精確度 , 后續(xù)通過采用光通量測量得到驗證 ;
3.3 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：鍵合焊點質(zhì)量與工藝條件是溫度和壓力關(guān)系密切 , 而溫度過高、壓力太大則會使芯片發(fā)生形變發(fā)生應(yīng)力 , 從而引進位錯 , 甚至出現(xiàn)暗裂 , 影響發(fā)光效率 和壽命。引線鍵合、樹脂封裝引人的應(yīng)力變化 , 如散熱、膨脹系數(shù)等都是影響壽命試驗的重要因素 , 其壽命試驗結(jié)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(jié)果更加接近實際使用情況 , 對生產(chǎn)控制有一定參考價值 ;
3.4 樹脂劣變對壽命試驗的影響 , 現(xiàn)有的環(huán)氧樹脂封裝資料受紫外線照射后透明度降低 , 高分子資料的光老化 , 紫外線和氧參與下的一系列復(fù)雜反應(yīng)的結(jié)果 , 一般認為是光引發(fā)的自動氧化過程。
樹脂劣變對壽命試驗結(jié)果的影響 , 主要體現(xiàn) 1000 小時或以上臨時壽命試驗 , 目前只能通過盡可能減少紫外線的照射 , 來提高壽命試驗結(jié)果的果客觀性和準確性。今后還可通過選擇封裝資料 , 或者檢定出環(huán)氧樹脂的光衰值 , 并將其從壽命試驗中排除 ;
4 壽命試驗臺的設(shè)計 , 壽命試驗臺由壽命試驗單元板、臺架和專用電源設(shè)備組成 , 可同時進行 550 組（ 4400 只） LED 壽命試驗 ; 根據(jù)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(qū)動形式。并聯(lián)連接形式：即將多個 LED 正極與正極、負極與負極并聯(lián)連接 , 其特點是每個 LED 工作電壓一樣 , 總電流為Σ Ifn, 為了實現(xiàn)每個 LED 工作電流 If 一致 , 要求每個 LED 正向電壓也要一致。但是 , 器件之間特性參數(shù)存在一定差異 , 且 LED 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異 , 而引發(fā)工作電流 If 差異 , 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 LED 等缺點 , 因 此不宜采用并聯(lián)連接驅(qū)動形式 ; 串聯(lián)連接形式：即將多個 LED 正極對負極連接成串 , 其優(yōu)點通過每個 LED 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 , 當出現(xiàn)一個 LED 開 路時 , 將導(dǎo)致這串 8 個 LED 熄滅 , 從原理上 LED 芯片開路的可能性極小。認為壽命試驗的 LED, 以恒流驅(qū)動和串聯(lián)連接的工作方式為佳。采用罕見 78 系 列電源電路 IC 構(gòu)成的 LED 恒流驅(qū)動線路 , 其特點是利息低、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高；
通過調(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)動電流較精確穩(wěn)定 , 電源電壓變化影響較小 ; 臺架為一般規(guī)范組合式貨架 , 經(jīng)過合理布線 , 使每一單元板可容易加載和卸載 , 實現(xiàn)在線操作。專用電源設(shè)備 , 輸出為 5 路直流 36V 平安電壓 , 負載能力為 5A, 其中 2 路具有微電腦定時控制功能 , 可自動開啟或關(guān)閉 ,5 路輸入、輸出分別指示 ; 本壽命試驗臺設(shè)計方案的優(yōu)點：壽命試驗電流準確、可調(diào)、恒定 ; 具有微電腦定時控制功能 , 可自動開啟或關(guān)閉 ; 可同時適用不同 VF LED, 而不必另外調(diào)整 ; 采用單元組合結(jié)構(gòu) , 可隨時增加壽命試驗單元 , 實現(xiàn)在線操作 ; 采用低壓供電 , 保證平安性能。LED 顯示屏 芯片壽命試驗方法和裝置
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