LED產(chǎn)品可靠性試驗與應用

本文主要站在LED制造者或使用者的立場(chǎng)來(lái)探討對應不同的使用環(huán)境與場(chǎng)所，較具有效益的可靠性試驗項目以及這些試驗的基本原理，可做為制造者依據不同產(chǎn)品類(lèi)別選擇較有效益的可靠性試驗，也可作為平時(shí)生產(chǎn)抽樣檢驗之用。

　　由于地球的能源不斷的減少，溫室效應所造成的環(huán)境問(wèn)題，也日趨嚴重，節能減排，降低溫室效應以及減低資源的耗損速度等，成為人類(lèi)共同的責任。近幾年LED隨技術(shù)與制程能力不斷提升，高亮度產(chǎn)品質(zhì)量與使用壽命提高后，逐漸擴展應用領(lǐng)域到做為室內外照明燈源、LCD產(chǎn)品背光模塊、車(chē)用燈具組等較高端產(chǎn)品。再者，LED產(chǎn)品普遍具有體積小、省電、無(wú)毒性、光源具方向性、維修費用低等的優(yōu)點(diǎn)，因而再度受到世人重視，產(chǎn)業(yè)因此成為一項重要的發(fā)展。

　　若以電子產(chǎn)品等級架構Level 0～Level 3（注：L0～L3表示電子產(chǎn)品自晶圓制造、構裝、上板組裝、系統成品等四階段）的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，LED產(chǎn)品則是自上游至下游均以其為命名主體。

　　由于產(chǎn)品的普及化與應用范圍越來(lái)越廣泛，因而可靠性的要求得以受到重視。國際主要LED大廠(chǎng)均有一套獨立的驗證標準，本文主要站在LED制造者或使用者的立場(chǎng)來(lái)探討對應不同的使用環(huán)境與場(chǎng)所，較具有效益的可靠性試驗項目以及這些試驗的基本原理，可做為制造者依據不同產(chǎn)品類(lèi)別選擇較有效益的可靠性試驗，也可作為平時(shí)生產(chǎn)抽樣檢驗之用。

　　零件可靠性試驗

　　LED零件結構可概分為表面黏著(zhù)型（SMD）與插件型（DIP）兩大類(lèi)別。LED零件與一般IC封裝所使用材料不同，但結構相近且較簡(jiǎn)易。LED零件的主要可靠性試驗可分為：可靠性試驗預處理流程、環(huán)境壽命試驗、焊錫性、耐熱性、靜電（ESD）等項目，并于試驗前后以光學(xué)特性量測計算其光學(xué)特性衰退情形做為判斷基準。依使用環(huán)境與區域不同，得以選擇適當的試驗項目進(jìn)行驗證。

　　可靠性試驗預處理流程（Pre-conditioning）

　　預處理流程適用于SMD型LED，其目的系仿真LED零件在系統廠(chǎng)組裝過(guò)程，并且使用較嚴苛條件，迫使零件吸濕后進(jìn)行熱應力試驗，是執行LED零件可靠性試驗的標準前處理作業(yè)流程。5cycle溫度循環(huán)試驗（圖一）目的是模擬使用前包括運輸或篩選任何可能的早夭風(fēng)險，經(jīng)過(guò)高溫烘烤后（Baking）再將零件置入濕氣環(huán)境中，一般吸濕條件對SMD型LED來(lái)說(shuō)通常采用Level 3做為驗證標準，對戶(hù)外使用與高可靠性需求的LED零件則采Level 1做為驗證標準。說(shuō)明如圖一所示。

《圖一　SMD零件預處理流程》

　　環(huán)境壽命試驗（Environmental Life Test）

　　環(huán)境壽命試驗是LED零件可靠性試驗的主要項目。透過(guò)溫度、濕度、電流等組合進(jìn)行產(chǎn)品壽命加速失效仿真，常用項目與原理如下：

　　高溫點(diǎn)亮壽命試驗（HTOL）

　　由于LED散熱問(wèn)題，零件本身的長(cháng)時(shí)間高溫點(diǎn)亮即是采加速應力模式以仿真實(shí)際使用情形，并觀(guān)察其亮度衰減率以估算產(chǎn)品壽命值。高溫壽命加速試驗是最典型的壽命實(shí)證方法之ㄧ，以阿瑞尼亞士方程式（Arrhenius’ Law）來(lái)估算產(chǎn)品活化能以計算高溫加速因子。下述為阿瑞尼亞士方程式的基本型，圖二則為活化能 Ea的推估方法。

《公式一　 阿瑞尼亞士方程式》

　　溫度循環(huán)試驗是對于經(jīng)常性開(kāi)關(guān)機或環(huán)境日夜溫度變化大的場(chǎng)所（特別是戶(hù)外使用的產(chǎn)品）所進(jìn)行的高溫與低溫循環(huán)加速型試驗，目的是利用零件材料熱膨脹系數不匹配，對零件結構產(chǎn)生的疲勞效應。另可使用溫度循環(huán)通電試驗（PTC），屬于動(dòng)態(tài)仿真，除了溫度變化應力外還加入的電源點(diǎn)滅因子，對LED零件的可靠性驗證效益頗大，但執行試驗時(shí)須設計測試電路板。

《圖二　活化能估算圖》

　　溫度循環(huán)試驗（TCT）

　　耐濕性循環(huán)通電試驗（Moisture Resistance Test）

　　多數LED產(chǎn)品的零件為外露設計，須直接承受外部溫、濕影響，尤其是對使用于濕熱帶區域環(huán)境因為零件材料吸收水氣與水氣凝結等效應，在長(cháng)期使用下造成零件腐蝕損壞。溫濕度循環(huán)試驗可加速氧化腐蝕風(fēng)險評估，常用試驗曲線(xiàn)如圖三。

《圖三　耐濕試驗溫濕循環(huán)曲線(xiàn)》

　　穩態(tài)溫濕偏壓試驗（THB）

　　不同于耐濕性循環(huán)通電試驗，此試驗所提供的是一個(gè)穩態(tài)測試環(huán)境，對于SMD零件較適用，透過(guò)提供高溫高濕與偏壓，以加速使得水氣經(jīng)由保護外層或結合接口穿透滲入零件內部，此試驗屬于較緩和的長(cháng)期老化試驗。

　　耐熱性試驗（Heat Resistance Test）

　　LED DIP構裝在市場(chǎng)上仍占有一定比例，且多為價(jià)格昂貴的高功率產(chǎn)品，系統組裝多采波焊（Wave Soldering）作業(yè)，故此類(lèi)零件不能套用SMD型組件的預處理流程驗證，而是使用浸錫法（Solder Dip）260±5℃沉浸10秒鐘，以仿真波焊過(guò)程中零件與焊錫瞬間接觸所產(chǎn)生的熱沖擊的忍受力。

　　焊錫性試驗（Solderability Test）

　　焊錫性試驗有數種手法，需依照LED零件的構裝方式選定。焊錫性試驗除可確保零件焊接點(diǎn)鍍層質(zhì)量，也可保證在成品組裝過(guò)程中的焊點(diǎn)結合質(zhì)量。此外，沾錫天平（Wetting Balance）則可用來(lái)評估零件腳與錫的潤濕反應速度，以評估使用的風(fēng)險或做為組裝條件修正的操考。典型的沾錫天平圖如圖四所示，判定重點(diǎn)為t1與t2兩個(gè)時(shí)間點(diǎn)。

《圖四　沾錫天平曲線(xiàn)圖》

　　靜電試驗（ESD Test）

　　LED屬于靜電敏感零件，試驗以人體靜電模式（Human Body Mode；HBM）和零件本體累積電荷放電模式（charge device mode；CDM）為主。試驗前須先將LED焊接于測試公用板上，再轉接于靜電測試機臺為常用之測試模式（如圖五），目前LED廠(chǎng)均以8KV為挑戰目標。

《圖五　LED ESD能力測試示意圖》

　　LED成品可靠性試驗

　　LED到了系統成品端（如照明燈具），由于成品較單一LED零件來(lái)的復雜（包含零件、電路控制板、電源供應器、焊點(diǎn)接合、機械結構組成等），影響LED成品的可靠性因素也因此大幅增加，為了確保燈具在生命周期中的質(zhì)量與可靠性，采用整座燈具去執行環(huán)境模擬與可靠性試驗是極重要的一件事。在試驗過(guò)程中所觀(guān)察重點(diǎn)不僅局限于LED零件上，而是對燈具進(jìn)行整體性評估，環(huán)境應力種類(lèi)包括高低溫、溫濕度、溫度沖擊、溫度循環(huán)、高地使用、日照、鹽霧、氣體腐蝕、灰塵、雨淋、霜/雪/冰雹、靜電、雷擊、電源干擾、電源變動(dòng)、電磁輻射干擾與安全性試驗等。試驗一般分成三大類(lèi)來(lái)說(shuō)明。

　　自然環(huán)境類(lèi)試驗（Climatic Test）

　　一般而言，溫度試驗分為高溫（熱）及低溫（冷）試驗，燈具成品在進(jìn)行高低溫試驗時(shí)搭配熱開(kāi)機（Hot start）與冷開(kāi)機（Cold start）的試驗，可更凸顯其效益。有關(guān)成品的壽命試驗也多采用高溫加速方式進(jìn)行（Arrhenius’ Law）。

　　濕度試驗也是模擬燈具成品在各種不同濕度變化環(huán)境中的耐環(huán)境能力，對于組裝后電路板是否因電子遷移而造成短路在此試驗上效益頗大（圖六）。