LED产品可靠性试验与应用

LED产品可靠性试验与应用

本文主要站在LED制造者或使用者的立场来探讨对应不同的使用环境与场所，较具有效益的可靠性试验项目以及这些试验的基本原理，可做为制造者依据不同产品类别选择较有效益的可靠性试验，也可作为平时生产抽样检验之用。 

　　由于地球的能源不断的减少，温室效应所造成的环境问题，也日趋严重，节能减排，降低温室效应以及减低资源的耗损速度等，成为人类共同的责任。近几年LED随技术与制程能力不断提升，高亮度产品质量与使用寿命提高后，逐渐扩展应用领域到做为室内外照明灯源、LCD产品背光模块、车用灯具组等较高端产品。再者，LED产品普遍具有体积小、省电、无毒性、光源具方向性、维修费用低等的优点，因而再度受到世人重视，产业因此成为一项重要的发展。

　　若以电子产品等级架构Level 0～Level 3（注：L0～L3表示电子产品自晶圆制造、构装、上板组装、系统成品等四阶段）的观点来看，LED产品则是自上游至下游均以其为命名主体。

　　由于产品的普及化与应用范围越来越广泛，因而可靠性的要求得以受到重视。国际主要LED大厂均有一套独立的验证标准，本文主要站在LED制造者或使用者的立场来探讨对应不同的使用环境与场所，较具有效益的可靠性试验项目以及这些试验的基本原理，可做为制造者依据不同产品类别选择较有效益的可靠性试验，也可作为平时生产抽样检验之用。

　　零件可靠性试验

　　LED零件结构可概分为表面黏着型（SMD）与插件型（DIP）两大类别。LED零件与一般IC封装所使用材料不同，但结构相近且较简易。LED零件的主要可靠性试验可分为：可靠性试验预处理流程、环境寿命试验、焊锡性、耐热性、静电（ESD）等项目，并于试验前后以光学特性量测计算其光学特性衰退情形做为判断基准。依使用环境与区域不同，得以选择适当的试验项目进行验证。

　　可靠性试验预处理流程（Pre-conditioning）

　　预处理流程适用于SMD型LED，其目的系仿真LED零件在系统厂组装过程，并且使用较严苛条件，迫使零件吸湿后进行热应力试验，是执行LED零件可靠性试验的标准前处理作业流程。5cycle温度循环试验（图一）目的是模拟使用前包括运输或筛选任何可能的早夭风险，经过高温烘烤后（Baking）再将零件置入湿气环境中，一般吸湿条件对SMD型LED来说通常采用Level 3做为验证标准，对户外使用与高可靠性需求的LED零件则采Level 1做为验证标准。说明如图一所示。

 

《图一　SMD零件预处理流程》
 
　　环境寿命试验（Environmental Life Test）

　　环境寿命试验是LED零件可靠性试验的主要项目。透过温度、湿度、电流等组合进行产品寿命加速失效仿真，常用项目与原理如下：

 　　高温点亮寿命试验（HTOL）

　　由于LED散热问题，零件本身的长时间高温点亮即是采加速应力模式以仿真实际使用情形，并观察其亮度衰减率以估算产品寿命值。高温寿命加速试验是最典型的寿命实证方法之ㄧ，以阿瑞尼亚士方程式（Arrhenius’ Law）来估算产品活化能以计算高温加速因子。下述为阿瑞尼亚士方程式的基本型，图二则为活化能 Ea的推估方法。

 

《公式一　 阿瑞尼亚士方程式》
 
　　温度循环试验是对于经常性开关机或环境日夜温度变化大的场所（特别是户外使用的产品）所进行的高温与低温循环加速型试验，目的是利用零件材料热膨胀系数不匹配，对零件结构产生的疲劳效应。另可使用温度循环通电试验（PTC），属于动态仿真，除了温度变化应力外还加入的电源点灭因子，对LED零件的可靠性验证效益颇大，但执行试验时须设计测试电路板。

 

《图二　活化能估算图》
 
　　温度循环试验（TCT）

　　耐湿性循环通电试验（Moisture Resistance Test）

　　多数LED产品的零件为外露设计，须直接承受外部温、湿影响，尤其是对使用于湿热带区域环境因为零件材料吸收水气与水气凝结等效应，在长期使用下造成零件腐蚀损坏。温湿度循环试验可加速氧化腐蚀风险评估，常用试验曲线如图三。

 

《图三　耐湿试验温湿循环曲线》
 
　　稳态温湿偏压试验（THB）

　　不同于耐湿性循环通电试验，此试验所提供的是一个稳态测试环境，对于SMD零件较适用，透过提供高温高湿与偏压，以加速使得水气经由保护外层或结合接口穿透渗入零件内部，此试验属于较缓和的长期老化试验。

　　耐热性试验（Heat Resistance Test）

　　LED DIP构装在市场上仍占有一定比例，且多为价格昂贵的高功率产品，系统组装多采波焊（Wave Soldering）作业，故此类零件不能套用SMD型组件的预处理流程验证，而是使用浸锡法（Solder Dip）260±5℃沉浸10秒钟，以仿真波焊过程中零件与焊锡瞬间接触所产生的热冲击的忍受力。

　　焊锡性试验（Solderability Test）

　　焊锡性试验有数种手法，需依照LED零件的构装方式选定。焊锡性试验除可确保零件焊接点镀层质量，也可保证在成品组装过程中的焊点结合质量。此外，沾锡天平（Wetting Balance）则可用来评估零件脚与锡的润湿反应速度，以评估使用的风险或做为组装条件修正的操考。典型的沾锡天平图如图四所示，判定重点为t1与t2两个时间点。

《图四　沾锡天平曲线图》

　　静电试验（ESD Test）

　　LED属于静电敏感零件，试验以人体静电模式（Human Body Mode；HBM）和零件本体累积电荷放电模式（charge device mode；CDM）为主。试验前须先将LED焊接于测试公用板上，再转接于静电测试机台为常用之测试模式（如图五），目前LED厂均以8KV为挑战目标。

 

《图五　LED ESD能力测试示意图》
 
　　LED成品可靠性试验

　　LED到了系统成品端（如照明灯具），由于成品较单一LED零件来的复杂（包含零件、电路控制板、电源供应器、焊点接合、机械结构组成等），影响LED成品的可靠性因素也因此大幅增加，为了确保灯具在生命周期中的质量与可靠性，采用整座灯具去执行环境模拟与可靠性试验是极重要的一件事。在试验过程中所观察重点不仅局限于LED零件上，而是对灯具进行整体性评估，环境应力种类包括高低温、温湿度、温度冲击、温度循环、高地使用、日照、盐雾、气体腐蚀、灰尘、雨淋、霜/雪/冰雹、静电、雷击、电源干扰、电源变动、电磁辐射干扰与安全性试验等。试验一般分成三大类来说明。

　　自然环境类试验（Climatic Test）

　　一般而言，温度试验分为高温（热）及低温（冷）试验，灯具成品在进行高低温试验时搭配热开机（Hot start）与冷开机（Cold start）的试验，可更凸显其效益。有关成品的寿命试验也多采用高温加速方式进行（Arrhenius’ Law）。

　　湿度试验也是模拟灯具成品在各种不同湿度变化环境中的耐环境能力，对于组装后电路板是否因电子迁移而造成短路在此试验上效益颇大（图六）。