LED產(chǎn)品可靠性試驗與應(yīng)用綠達照明

1、LED產(chǎn)品可靠性試驗與應(yīng)用本文主要站在LED制造者或使用者的立場來探討對應(yīng)不同的使用環(huán) 境與場所，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(jù)不同產(chǎn)品類別選擇較有效益的可靠性試驗，也可作為平時生產(chǎn)抽樣檢驗之用。由于地球的能源不斷的減少，溫室效應(yīng)所造成的環(huán)境問題，也日趨 嚴重，節(jié)能減排，降低溫室效應(yīng)以及減低資源的耗損速度等，成為人 類共同的責(zé)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(yīng)用領(lǐng)域到做為室內(nèi)外照明燈源、 LCD產(chǎn)品背光模塊、車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、無毒性、光源具方向性、維修費用低等的

2、優(yōu)點， 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(gòu) Level （H Level 3 （注：L0L3表示電子產(chǎn)品 自晶圓制造、構(gòu)裝、上板組裝、系統(tǒng)成品等四階段）的觀點來看，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(yīng)用范圍越來越廣泛，因而可靠性的要求得以 受到重視。國際主要LED大廠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來探討對應(yīng)不同的使用環(huán)境與場所，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(jù)不同產(chǎn)品類別選擇較有效益的可靠性試驗，也可作為平時生產(chǎn)抽 樣檢驗之用。零件可靠性試驗LED零件結(jié)構(gòu)可概分

3、為表面黏著型（SMD）與插彳型（DIP）兩大類 別。LED零件與一般IC封裝所使用材料不同，但結(jié)構(gòu)相近且較簡易。 LED零件的主要可靠性試驗可分為：可靠性試驗預(yù)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(qū) 域不同，得以選擇適當(dāng)?shù)脑囼烅椖窟M行驗證。可靠性試驗預(yù)處理流程（Pre-conditioning）預(yù)處理流程適用于SMD型LED其目的系仿真LED零件在系統(tǒng)廠組 裝過程，并且使用較嚴苛條件，迫使零件吸濕后進行熱應(yīng)力試驗，是 執(zhí)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

4、一）目的是模擬使用前包括運輸或篩選任何可能的早天風(fēng)險， 經(jīng)過高溫烘烤后（Baking）再將零件置入濕氣環(huán)境中，一般吸濕條件 對SMD型LED來說通常采用Level 3做為驗證標準，對戶外使用與高 可靠性需求的LED零件則采Level 1做為驗證標準。說明如圖一所示。圖一 SMD零件預(yù)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。透過溫度、濕度、 電流等組合進行產(chǎn)品壽命加速失效仿真，常用項目與原理如下：高溫點亮壽命試驗（HTOD綠達照明 HYPERLINK ld6由于LED散熱問題，零件本身的長時間高溫點亮即是采加速應(yīng)力模 式以

5、仿真實際使用情形，并觀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證方法之I , 以阿瑞尼亞土方程式（Arrhenius Law）來估算產(chǎn)品活化能以計算高溫加速因子。下述為 阿瑞尼亞土方程式的基本型，圖二則為活化能Ea的推估方法。公式一阿瑞尼亞土方程式溫度循環(huán)試驗是對于經(jīng)常性開關(guān)機或環(huán)境日夜溫度變化大的場所（特別是戶外使用的產(chǎn)品）所進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(shù)不匹配，對零件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的疲勞效應(yīng)。 另可使用溫度循環(huán)通電試驗（PT。，屬于動態(tài)仿真，除了溫度變化應(yīng) 力外還加入的電源點滅因子，對LED零件的可靠性驗證效益頗大，但 執(zhí)行試驗時須設(shè)計

6、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(shù)LED產(chǎn)品的零件為外露設(shè)計，須直接承受外部溫、濕影響，尤 其是對使用于濕熱帶區(qū)域環(huán)境因為零件材料吸收水氣與水氣凝結(jié)等 效應(yīng)，在長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，常用試驗曲線如圖三圖三 耐濕試驗溫濕循環(huán)曲線穩(wěn)態(tài)溫濕偏壓試驗(THE?)不同于耐濕性循環(huán)通電試驗，此試驗所提供的是一個穩(wěn)態(tài)測試環(huán)境， 對于SMD零件較適用，透過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(jié)合接口穿透滲入零件內(nèi)部， 此試驗屬于較緩和的長 期老化試驗。耐熱性試驗(He

7、at Resistance TeStLED DIP勾裝在市場上仍占有一定比例，且多為價格昂貴的高功率產(chǎn) 品，系統(tǒng)組裝多采波焊(Wave Solderin。作業(yè)，故此類零件不能套 用SMD型組件的預(yù)處理流程驗證，而是使用浸錫法(Solder Dip) 260 5C沉浸10秒鐘，以仿真波焊過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(shù)種手法，需依照 LED零件的構(gòu)裝方式選定。焊錫性 試驗除可確保零件焊接點鍍層質(zhì)量，也可保證在成品組裝過程中的焊 點結(jié)合質(zhì)量。止匕外，沾錫天平(Wetting Balance)則可用來評估零件 腳與錫的

8、潤濕反應(yīng)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，判定重點為t1與t2兩個時間點。綠達照明 HYPERLINK ld6圖四沾錫天平曲線圖靜電試驗（ESD TestLED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(zhuǎn)接于靜電測試機 臺為常用之測試模式（如圖五），目前LED廠均以8KV為挑戰(zhàn)目標。圖五 LED ESDft力測試示意圖LED成品可靠性試驗LED到了系統(tǒng)成品端（如照明燈具），由于成品較單一 L

9、ED零件來的 復(fù)雜（包含零件、電路控制板、電源供應(yīng)器、焊點接合、機械結(jié)構(gòu)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(zhí)行環(huán)境模擬與可靠 性試驗是極重要的一件事。在試驗過程中所觀察重點不僅局限于LED零件上，而是對燈具進行整體性評估，環(huán)境應(yīng)力種類包括高低溫、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、電磁輻 射干擾與安全性試驗等。試驗一般分成三大類來說明。自然環(huán)境類試驗（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

10、 在進行高低溫試驗時搭配熱開機（Hot start）與冷開機（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）。圖六電子遷移短路溫度循環(huán)試驗，在前述“ LED零件可靠性”的部份已說明過其目的， 但因燈具成品組成結(jié)構(gòu)遠較LED零件復(fù)雜，故針對燈具試驗結(jié)果的 審核不僅是LED是否點亮，包括結(jié)構(gòu)是否產(chǎn)生變形、焊點是否龜裂等 也是觀察重點。動力環(huán)境類試驗（Dynamic Test在應(yīng)用上動力環(huán)境試

11、驗都以機械結(jié)構(gòu)、焊點質(zhì)量或運輸環(huán)境仿真為 主，應(yīng)力種類包括振動、機械沖擊、落下等。此類應(yīng)力易造成燈具成 品在組裝機構(gòu)上的失效，如焊點脆裂、零件脫落、燈罩破損、開關(guān)按 鍵跳脫等，對于應(yīng)用于手持型產(chǎn)品的LED模塊更需留意在動力環(huán)境中 的設(shè)計強度水平，故設(shè)計人員在機構(gòu)開發(fā)上需評估產(chǎn)品使用環(huán)境或目 的，來選擇適當(dāng)應(yīng)力進行驗證才能確保質(zhì)量。（圖七）綠達照明 HYPERLINK ld6圖七動力試驗后焊點斷裂戶外用產(chǎn)品之環(huán)境類試驗（Outdoor Test）由于戶外使用環(huán)境較室內(nèi)使用環(huán)境嚴格許多，除了在溫度與濕 度的耐環(huán)境度能力須增加外，尚包括日光照射試驗、防水 /防塵試驗、 鹽霧試驗與氣體腐蝕性試驗等。日

12、照試驗的目的系模擬太陽光譜照射，測試戶外用燈具在接受 到光照射時，會不會受到輻射熱影響而出現(xiàn)壽命變短，材料裂化等， 燈具外殼經(jīng)曝曬后是否產(chǎn)生顏色退化現(xiàn)象等。防水防塵試驗對于戶外用燈具是重要的試驗項目，通常采IEC60529做為驗證標準，其IPXX等級的取決標準是依據(jù)燈具于使用環(huán)境 時所碰觸到此二種應(yīng)力的機率，若機率高，所選用的防水防塵等級也 就必需越高；反之，則越低。鹽霧試驗，對于海島型國家鹽霧試驗則更形重要，主要是驗證 表面涂料，結(jié)構(gòu)銹蝕與金屬接點耐鹽霧腐蝕之能力，常見是以溫度攝 氏35度、鹽水濃度5%的鹽水噴霧做為驗證條件。氣體腐蝕性試驗，由于戶外大氣環(huán)境中存在微量二氧化硫、硫 化氫與氯氣

13、等，這些微量氣體對于電子連結(jié)器（鍍金）的腐蝕力甚強 （圖八），因此國際大廠對于使用于責(zé)任編輯：zygled的五大主要應(yīng)用及各應(yīng)用專題應(yīng)用一：背光源LCD背光源市場是LED產(chǎn)品的最大應(yīng)用市場之一， 主要集中在TFT彩屏的背光。LED背光源具有良好的顯色特性且環(huán)保，是LCD背光源市場的主流LED背光源在手機等PDA產(chǎn)品上已成功應(yīng)用，2004年已有超過百億 元的市場。近幾年手機產(chǎn)量增長放緩，同時 OLED成本低，有替代小 尺寸LCD的趨勢，預(yù)計小尺寸LCD背光源需求的絕對值雖仍很大，但 增幅下降。LED背光源未來市場熱點將在大尺寸的 LCD市場，并伴隨 著LCD平板顯示市場的快速發(fā)展，保持高速增長。

14、同時發(fā)達國家已開 始制定法規(guī)限制非環(huán)保的CCFLf的使用，又將刺激LED背光源的更 快發(fā)展。目前7英寸屏的LED背光已成熟，隨著LED發(fā)光效率的不斷提高， 必將應(yīng)用于更大尺寸LCD屏的筆記本電腦、電腦顯示器和LCD-TV中， 市場潛力無限。據(jù)報道，OSRAM近期已推出一款82英寸的LED背光 源概念產(chǎn)品，可產(chǎn)生每平方米10000cd的亮度，色飽和度較傳統(tǒng)的 CCF選源提高50%。應(yīng)用二：汽車 汽車也將是LED產(chǎn)品高成長的市場。由于LED燈具有 省電、小型且可平面化安裝、響應(yīng)快速、易于計算機控制、抗震性等 優(yōu)點，發(fā)達國家都在大力開發(fā)車用 LEW。應(yīng)用范圍從車內(nèi)的顯示面板、裝飾燈、照明燈，到車外的

15、剎車燈、轉(zhuǎn)向燈、指示燈等。國際幾家著名照明公司均已推出了車前大燈的概念產(chǎn)品，最新報道日本西鐵成電子公司已開發(fā)成功適合用于車燈的LED模塊，3.5W可產(chǎn)生2451m的光束。因汽車市場門檻高，目前車 用LED市場主要被HP、OSRAM SIEMENS及幾家日本公司占據(jù)， 我國臺灣光電企業(yè)也占有一部分市場份額。 今年我國汽車產(chǎn)量排行世綠達照明 HYPERLINK ld6界第三，后續(xù)還將高速增長，因此開發(fā)LED產(chǎn)品的汽車市場大有作為。應(yīng)用三：光色照明 光色照明市場主要包括室外景觀照明市場和室內(nèi) 裝飾照明市場。室外景觀照明市場主要由護欄燈、大功率投光燈、數(shù)碼墻、地埋燈、 樹型燈、彩燈等構(gòu)成，是目前國內(nèi)較

16、熱的一塊市場，特別是國家五大 照明工程示范基地的建設(shè)，各地政府均給予重點支持，有力地推動了 LED照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，如廈門市政府抓住今年 4月2005中國（廈門） 國際半導(dǎo)體照明論壇以及9月投資貿(mào)易洽談會的有利時機，完成兩項 LED照明示范工程，取得圓滿成功，擴大了廈門 LED照明工程示范基 地的影響力，接著又乘勢推出2006年春節(jié)亮燈工程，給當(dāng)?shù)毓怆娖?業(yè)提供了極好的發(fā)展機會。2008年北京的奧運會和2010年上海的世 博會還將進一步拉動LED光色市場的成長。但要追求完美，整體效果 上一個檔次，景觀設(shè)計是關(guān)鍵。室內(nèi)裝飾照明市場目前主要集中在室內(nèi)氣氛照明的應(yīng)用，充分利用 LED燈便于智能控制、色

17、彩豐富的特點，在酒吧、商場等地均能起到 制造氣氛的效果。在LED發(fā)光效率達到一定水平時，LED燈通過智能 控制可以實現(xiàn)色溫可調(diào)，屆時人們可以根據(jù)心情選擇最佳的氣氛照 明，極大地提高人們的生活品質(zhì)，創(chuàng)出巨大的市場機會。應(yīng)用四：特種照明燈 特種照明燈市場，發(fā)揮LED燈低功耗、驅(qū)動電 壓小、冷光源、紫外成分低、單色性等特點，實現(xiàn)各種特種照明功能， 主要品種有防爆燈（含礦燈）、軍用特種燈、閃光燈、應(yīng)急燈、手電筒、 文物與藝術(shù)品照明燈、皮革與首飾裝飾燈、特種醫(yī)療用燈、農(nóng)作物生長用燈、太陽能LED燈等等。其中，國家安全生產(chǎn)管理辦公室已下文要求所有煤礦全部使用LEDT燈，手機、數(shù)碼相機正逐步擴大使用LED閃光燈，預(yù)示著這兩種LED產(chǎn)品將呈現(xiàn)巨大的市場發(fā)展機會。太陽能LED燈是節(jié)能的LEg太陽能電池的結(jié)合，是個絕配的產(chǎn)品， 是個真正體現(xiàn)國家倡導(dǎo)的循環(huán)經(jīng)濟理念的好產(chǎn)品。目前市場熱點主要集中在太陽能高桿路燈，國內(nèi)已有多家企業(yè)開發(fā)出以1WLED為單元的50W80WLED莫組，一旦能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的商品化產(chǎn)品，將 會產(chǎn)生極大的經(jīng)濟效