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LED產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來探討對應不同的使用環境與場所，較具有效益的可靠性試驗項目以及這些試驗的基本原理，可做為制造者依據不同產品類別選擇較有效益的可靠性試驗，也可作為平時生產抽樣檢驗之用。 

         由于地球的能源不斷的減少，溫室效應所造成的環境問題，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，成為人類共同的責任。近幾年LED隨技術與制程能力不斷提升，高亮度產品質量與使用壽命提高后，逐漸擴展應用領域到做為室內外照明燈源、LCD產品背光模塊、車用燈具組等較產品。再者，LED產品普遍具有體積小、省電、無毒性、光源具方向性、維修費用低等的優點，因而再度受到世人重視，產業因此成為一項重要的發展。
　　若以電子產品等級架構Level 0～Level 3（注：L0～L3表示電子產品自晶圓制造、構裝、上板組裝、系統成品等四階段）的觀點來看，LED產品則是自上游至下游均以其為命名主體。
　　由于產品的普及化與應用范圍越來越廣泛，因而可靠性的要求得以受到重視。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不同的使用環境與場所，較具有效益的可靠性試驗項目以及這些試驗的基本原理，可做為制造者依據不同產品類別選擇較有效益的可靠性試驗，也可作為平時生產抽樣檢驗之用。
　　零件可靠性試驗
　　LED零件結構可概分為表面黏著型（SMD）與插件型（DIP）兩大類別。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特性量測計算其光學特性衰退情形做為判斷基準。依使用環境與區域不同，得以選擇適當的試驗項目進行驗證。
　　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零件在系統廠組裝過程，并且使用較嚴苛條件，迫使零件吸濕后進行熱應力試驗，是執行LED零件可靠性試驗的標準前處理作業流程。5cycle溫度循環試驗（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險，經過高溫烘烤后（Baking）再將零件置入濕氣環境中，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零件預處理流程》
 
　　環境壽命試驗（Environmental Life Test）
　　環境壽命試驗是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（HTOL）
　　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力模式以仿真實際使用情形，并觀察其亮度衰減率以估算產品壽命值。高溫壽命加速試驗是zui典型的壽命實證方法之ㄧ，以阿瑞尼亞士方程式（Arrhenius’ Law）來估算產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》
 
　　溫度循環試驗是對于經常性開關機或環境日夜溫度變化大的場所（特別是戶外使用的產品）所進行的高溫與低溫循環加速型試驗，目的是利用零件材料熱膨脹系數不匹配，對零件結構產生的疲勞效應。另可使用溫度循環通電試驗（PTC），屬于動態仿真，除了溫度變化應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，但執行試驗時須設計測試電路板。
                                         
                                                                 《圖二　活化能估算圖》
 
　　溫度循環試驗（TCT）
　　耐濕性循環通電試驗（Moisture Resistance Test）
　　多數LED產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境因為零件材料吸收水氣與水氣凝結等效應，在長期使用下造成零件腐蝕損壞。溫濕度循環試驗可加速氧化腐蝕風險評估，常用試驗曲線如圖三。
                                                      
                                                                         《圖三　耐濕試驗溫濕循環曲線》
 
　　穩態溫濕偏壓試驗（THB）
　　不同于耐濕性循環通電試驗，此試驗所提供的是一個穩態測試環境，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期老化試驗。
　　耐熱性試驗（Heat Resistance Test）
　　LED DIP構裝在市場上仍占有一定比例，且多為價格昂貴的高功率產品，系統組裝多采波焊（Wave Soldering）作業，故此類零件不能套用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，以仿真波焊過程中零件與焊錫瞬間接觸所產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鍍層質量，也可保證在成品組裝過程中的焊點結合質量。此外，沾錫天平（Wetting Balance）則可用來評估零件腳與錫的潤濕反應速度，以評估使用的風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。

  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零件來的復雜（包含零件、電路控制板、電源供應器、焊點接合、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量與可靠性，采用整座燈具去執行環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，環境應力種類包括高低溫、溫濕度、溫度沖擊、溫度循環、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境中的耐環境能力，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。