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LED室内全彩显示屏寿命试验
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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8~10粒芯片,制成ф5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8~10粒芯片,封装成ф5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。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,我们规定了加严寿命试验的办法,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,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ΣIfn,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。

 
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