LED产品可靠性试验与应用绿达照明.docx

1、LED产品可靠性试验与应用绿达照明 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

2、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 0Level 3（注：L0L3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

3、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

4、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

5、命值。高温寿命加速试验是最典型的寿命实证方法之，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

6、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

7、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）2605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

8、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

9、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（A

10、rrhenius 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）。图六电子迁移短路温度循环试验，在前述“LED零件可靠性”的部份已说明过其目的，但因灯具成品组成结构远较LED 零件复杂，故针对灯具试验结果的审核不仅是LED是否点亮，包括结构是否产生变形、焊点是否龟裂等也是观察重点。动力环境类试验（Dynamic Test）在应用上动力环境试验都以机械结构、焊点质量或运输环境仿真为主，应力种类包括振动、机械冲击、落下等。此类应力易造成灯具成品在组装机构上的失效，如焊点脆裂、零件脱落、灯罩破损、开关按键跳脱

11、等，对于应用于手持型产品的LED模块更需留意在动力环境中的设计强度水平，故设计人员在机构开发上需评估产品使用环境或目的，来选择适当应力进行验证才能确保质量。（图七）图七动力试验后焊点断裂户外用产品之环境类试验（Outdoor Test）由于户外使用环境较室内使用环境严格许多，除了在温度与湿度的耐环境度能力须增加外，尚包括日光照射试验、防水/防尘试验、盐雾试验与气体腐蚀性试验等。日照试验的目的系模拟太阳光谱照射，测试户外用灯具在接受到光照射时，会不会受到辐射热影响而出现寿命变短，材料裂化等，灯具外壳经曝晒后是否产生颜色退化现象等。防水防尘试验对于户外用灯具是重要的试验项目，通常采IEC 6052

12、9做为验证标准，其IPXX等级的取决标准是依据灯具于使用环境时所碰触到此二种应力的机率，若机率高，所选用的防水防尘等级也就必需越高；反之，则越低。盐雾试验，对于海岛型国家盐雾试验则更形重要，主要是验证表面涂料，结构锈蚀与金属接点耐盐雾腐蚀之能力，常见是以温度摄氏35度、盐水浓度5的盐水喷雾做为验证条件。气体腐蚀性试验，由于户外大气环境中存在微量二氧化硫、硫化氢与氯气等，这些微量气体对于电子连结器（镀金）的腐蚀力甚强（图八），因此国际大厂对于使用于责任编辑：zyg led的五大主要应用及各应用专题应用一：背光源 LCD背光源市场是LED产品的最大应用市场之一，主要集中在TFT彩屏的背光。LED背

13、光源具有良好的显色特性且环保，是LCD背光源市场的主流。LED 背光源在手机等PDA产品上已成功应用，2004年已有超过百亿元的市场。近几年手机产量增长放缓，同时OLED成本低，有替代小尺寸LCD的趋势，预计小尺寸LCD背光源需求的绝对值虽仍很大，但增幅下降。LED背光源未来市场热点将在大尺寸的LCD市场，并伴随着LCD平板显示市场的快速发展，保持高速增长。同时发达国家已开始制定法规限制非环保的CCFL管的使用，又将刺激LED背光源的更快发展。目前7英寸屏的LED背光已成熟，随着 LED发光效率的不断提高，必将应用于更大尺寸LCD屏的笔记本电脑、电脑显示器和LCD-TV中，市场潜力无限。据报道

14、，OSRAM近期已推出一款82 英寸的LED背光源概念产品，可产生每平方米10000cd的亮度，色饱和度较传统的CCFL光源提高50%。应用二：汽车 汽车也将是LED产品高成长的市场。由于LED灯具有省电、小型且可平面化安装、响应快速、易于计算机控制、抗震性等优点，发达国家都在大力开发车用LED灯。应用范围从车内的显示面板、装饰灯、照明灯，到车外的刹车灯、转向灯、指示灯等。国际几家著名照明公司均已推出了车前大灯的概念产品，最新报道日本西铁成电子公司已开发成功适合用于车灯的LED模块，3.5W可产生245lm的光束。因汽车市场门槛高，目前车用LED市场主要被HP、OSRAM、SIEMENS以及几

15、家日本公司占据，我国台湾光电企业也占有一部分市场份额。今年我国汽车产量排行世界第三，后续还将高速增长，因此开发LED产品的汽车市场大有作为。应用三：光色照明 光色照明市场主要包括室外景观照明市场和室内装饰照明市场。室外景观照明市场主要由护栏灯、大功率投光灯、数码墙、地埋灯、树型灯、彩灯等构成，是目前国内较热的一块市场，特别是国家五大照明工程示范基地的建设，各地政府均给予重点支持，有力地推动了LED照明产业的发展，如厦门市政府抓住今年4月2005中国(厦门)国际半导体照明论坛以及9月投资贸易洽谈会的有利时机，完成两项LED照明示范工程，取得圆满成功，扩大了厦门LED照明工程示范基地的影响力，接着

16、又乘势推出2006年春节亮灯工程，给当地光电企业提供了极好的发展机会。2008年北京的奥运会和2010年上海的世博会还将进一步拉动LED光色市场的成长。但要追求完美，整体效果上一个档次，景观设计是关键。室内装饰照明市场目前主要集中在室内气氛照明的应用，充分利用LED灯便于智能控制、色彩丰富的特点，在酒吧、商场等地均能起到制造气氛的效果。在LED发光效率达到一定水平时，LED灯通过智能控制可以实现色温可调，届时人们可以根据心情选择最佳的气氛照明，极大地提高人们的生活品质，创出巨大的市场机会。应用四：特种照明灯 特种照明灯市场，发挥LED灯低功耗、驱动电压小、冷光源、紫外成分低、单色性等特点，实现

17、各种特种照明功能，主要品种有防爆灯(含矿灯)、军用特种灯、闪光灯、应急灯、手电筒、文物与艺术品照明灯、皮革与首饰装饰灯、特种医疗用灯、农作物生长用灯、太阳能LED 灯等等。其中，国家安全生产管理办公室已下文要求所有煤矿全部使用LED矿灯，手机、数码相机正逐步扩大使用LED闪光灯，预示着这两种LED产品将呈现巨大的市场发展机会。太阳能LED灯是节能的LED与太阳能电池的结合，是个绝配的产品，是个真正体现国家倡导的循环经济理念的好产品。目前市场热点主要集中在太阳能高杆路灯，国内已有多家企业开发出以1WLED为单元的50W80WLED模组，一旦能够实现真正意义上的商品化产品，将会产生极大的经济效益和社会效益。应用五：传统市场 传统市场主要包含显示屏市场和信号灯市场。显示屏市场，2004年在我国就有约30亿元的市场，目前智能交通信息显示兴起以及更多社区和企业都选择LED显示屏做宣传，该市场每年仍保持20%的速度增长。信号灯市场，2004年仅国内道路交通灯就有6亿元的市场，LED灯固有的方向性特点以及LED发光效率的逐年提高，将推动铁路、机场、航运等LED信号灯应用的发展。 产业论语 如何提升市场机会随着LED性能的不断提高以及人们的创新能力和创新意识的不断提升，LED产品的应用市场将会出现更多更大更好的市场机会。责任编辑：zyg