由於地球的能源不斷的減少，溫室效應所造成的環境問題，也越趨嚴重，節能減碳，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隨技術與製程能力不斷提升，高亮度產品品質與使用壽命提高後，逐漸擴展應用領域到做為室內外照明燈源、LCD產品背光模組、車用燈具組等較高階產品。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（註：L0～L3表示電子產品自晶圓製造、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。
由於產品的普及化與應用範圍越來越廣泛，因而可靠度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，中華民國國家標準（以下簡稱CNS）亦針對主要LED產業訂定相關試驗標準。本文主要站在LED製造者或使用者的立場來探討對應不同的使用環境與場所，較具有效益之可靠度試驗項目以及這些試驗之基本原理，可做為製造者依據不同產品類別選擇較有效益的可靠度試驗，亦可作為平時生產抽樣檢驗之用。
零件可靠度試驗
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零件的主要可靠度試驗可分為：可靠度試驗預處理流程、環境壽命試驗、焊錫性、耐熱性、靜電（ESD）等項目，並於試驗前後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。
可靠度試驗預處理流程（Pre-conditioning）
預處理流程適用於SMD型LED，其目的係模擬LED零件在系統廠組裝過程，並且使用較嚴苛條件，迫使零件吸濕後進行熱應力試驗，是執行LED零件可靠度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，經過高溫烘烤後（Baking）再將零件置入濕氣環境中，一般吸濕條件對SMD型LED來說通常採用Level 3做為驗證標準，對戶外使用與高可靠度需求之LED零件則採Level 1做為驗證標準。說明如圖一所示。
環境壽命試驗（Environmental Life Test）
環境壽命試驗是LED零件可靠度試驗的主要項目。透過溫度、溼度、電流等組合進行產品壽命加速失效模擬，常用項目與原理如下：
高溫點亮壽命試驗（HTOL）
由於LED散熱問題，零件本身的長時間高溫點亮即是採加速應力模式以模擬實際使用情形，並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最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。
溫度循環試驗是對於經常性開關機或環境日夜溫度變化大的場所（特別是戶外使用之產品）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係數不匹配，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），屬於動態模擬，除了溫度變化應力外還加入的電源點滅因子，對LED零件之可靠度驗證效益頗大，但執行試驗時須設計測試電路板。
溫度循環試驗（TCT）
耐濕性循環通電試驗（Moisture Resistance Test）
多數LED產品之零件為外露設計，須直接承受外部溫、濕影響，尤其是對使用於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。
穩態溫濕偏壓試驗（THB）
不同於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，對於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介面穿透滲入零件內部，此試驗屬於較緩和的長期老化試驗。
耐熱性試驗（Heat Resistance Test）
LED DIP構裝在市場上仍佔有一定比例，且多為價格昂貴的高功率產品，系統組裝多採波焊（Wave Soldering）作業，故此類零件不能套用SMD型元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，以模擬波焊過程中零件與焊錫瞬間接觸所產生的熱衝擊之忍受力。
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品質，亦可保證在成品組裝過程中的焊點結合品質。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之操考。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屬於靜電敏感零件，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焊接於測試公用板上，再轉接於靜電測試機台為常用之測試模式（如圖五），目前LED廠均以8KV為挑戰目標。
LED成品可靠度試驗
LED到了系統成品端（如照明燈具），由於成品較單一LED零件來的複雜（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成品之可靠度因素也因此大幅增加，為了確保燈具在生命週期中之品質與可靠度，採用整座燈具去執行環境模擬與可靠度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於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、溫度衝擊、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。有關成品之壽命試驗亦多採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之耐環境能力，對於組裝後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）。
溫度循環試驗，在前述「LED零件可靠度」的部份已說明過其目的，但因燈具成品組成結構遠較LED 零件複雜，故針對燈具試驗結果之審核不僅是LED是否點亮，包括結構是否產生變形、焊點是否龜裂等亦是觀察重點。
動力環境類試驗（Dynamic Test）
在應用上動力環境試驗都以機械結構、焊點品質或運輸環境模擬為主，應力種類包括振動、機械衝擊、落下等。此類應力易造成燈具成品在組裝機構上的失效，如焊點脆裂、零件脫落、燈罩破損、開關按鍵跳脫等，對於應用於手持型產品之LED模組更需留意在動力環境中的設計強度水準，故設計人員在機構開發上需評估產品使用環境或目的，來選擇適當應力進行驗證才能確保品質。（圖七）
戶外用產品之環境類試驗（Outdoor Test）
由於戶外使用環境較室內使用環境嚴格許多，除了在溫度與溼度之耐環境度能力須增加外，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。
日照試驗之目的係模擬太陽光譜照射，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壽命變短，材料裂化等，燈具外殼經曝曬後是否產生顏色退化現象等。
防水防塵試驗對於戶外用燈具是重要的試驗項目，通常採IEC 60529做為驗證標準，其IPXX等級的取決標準是依據燈具於使用環境時所碰觸到此二種應力的機率，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。以CNS 15233為例，LED路燈之發光室須符合IP65， 控制室則須符合IP54。
鹽霧試驗，對於海島型國家鹽霧試驗則更形重要，主要是驗證表面塗料，結構鏽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，由於戶外大氣環境中存在微量二氧化硫、硫化氫與氯氣等，這些微量氣體對於電子連結器（鍍金）之腐蝕力甚強（圖八），因此國際大廠對於使用於戶外之產品（如手機、車用產品等），皆以IEC或EIA氣體腐蝕性試驗做為驗證標準。
結語
LED應用面越趨廣泛，但若是沒有良好的LED零件、PC板、模組可靠度，則不可能有良好的成品可靠度。因此，各產品層級均應扮演好各自角色並做好供應鏈管理，同時在產品開發初期即應妥善規劃適宜的驗證手法才得以確保最終產品之品質。
（作者謝翰坤為宜特科技零件可靠度工程部資深經理、李博凡為宜特科技系統可靠度工程部經理）
相關作者
相關產業類別
相關關鍵字
相關網站單元