如何測試高亮度LED？

現(xiàn)在大街上隨處可見的LED顯示屏，還有裝飾用的LED彩燈以及LED車燈，處處可見LED燈的身影，LED已經(jīng)融入到生活中的每一個(gè)角落。可見光發(fā)光二極管(LED)兼具高效率和長壽命的特點(diǎn)。目前，它們的應(yīng)用十分廣泛。制造商們通過對(duì)LED器件的深入研究已經(jīng)研制出了具有更高光通量、更長壽命、更多色彩和更高每瓦流明數(shù)的新器件。精確而高性價(jià)比的測試對(duì)于確保器件的可靠性和質(zhì)量至關(guān)重要。

LED測試在生產(chǎn)的不同階段具有不同類型的測試序列，例如設(shè)計(jì)研發(fā)階段的測試、生產(chǎn)過程中的晶圓級(jí)測試、以及封裝后的最終測試。盡管LED的測試一般包含電氣和光學(xué)測量，本文著重探討電氣特征分析，只在適當(dāng)?shù)奈恢媒榻B部分光學(xué)測量技術(shù)。圖1給出了典型二極管的電氣I-V曲線。完整的測試應(yīng)該包含大量 的電壓值與對(duì)應(yīng)的電流工作點(diǎn)，但是一般情況下有限的采樣點(diǎn)就足以測試出器件的品質(zhì)因數(shù)。

圖1. 典型LED的直流I-V曲線和測試點(diǎn)(不可縮放)

很多測試需要提供已知的電流然后測量電壓，而另外一些測試需要提供電壓然后測量產(chǎn)生的電流。因此，具有集成的、同步的源和測量功能的高速測試儀器對(duì)于這類測試是非常理想的。

正向電壓測試

在LED測試序列中，正向電壓(VF)測試檢驗(yàn)的是可見光LED上的正向工作電壓。當(dāng)在二極管上加載一個(gè)正向電流時(shí)，它就開始導(dǎo)通。剛開始在低電流下，二極管上的電壓降快速上升，但是隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，電壓斜率開始變平。二極管一般工作在這個(gè)電壓相對(duì)恒定的區(qū)域。在這些工作條件下對(duì)二極管進(jìn)行測試也非常有用。VF測試需要提供一個(gè)已知的電流然后測量二極管上產(chǎn)生的電壓降。典型的測試電流范圍從幾十毫安到幾安，而產(chǎn)生的電壓大小通常在幾伏的范圍。有些制造商利用這種測試的結(jié)果進(jìn)行器件分揀，因?yàn)檎螂妷号cLED的色品(由色彩的主要或者補(bǔ)色波長及其純度共同表征的色彩品質(zhì))相關(guān)。

光學(xué)測試

正向偏置電流也用于光學(xué)測試，因?yàn)殡娮与娏髋c發(fā)光的強(qiáng)弱密切相關(guān)。通過在待測器件附近放一個(gè)光電二極管或者累計(jì)球捕捉發(fā)出的光子可以測出光強(qiáng)度(optical power)。然后將光轉(zhuǎn)換成電流，利用安培計(jì)或者源測量儀器的一個(gè)通道測量電流的大小。

在很多測試應(yīng)用中，二極管的電壓和發(fā)出的光可以利用大小固定的電流源同時(shí)測出來。此外，利用分光計(jì)可以在同樣大小的驅(qū)動(dòng)電流下測出諸如光譜輸出之類的詳細(xì)參數(shù)。

反向擊穿電壓測試

對(duì)LED加載一個(gè)反向偏置電流可以測出反向擊穿電壓(VR)。測試電流的大小應(yīng)該設(shè)置為當(dāng)電流稍微增加時(shí)測出的電壓值不再明顯增大的位置。當(dāng)電壓高于這個(gè)電壓值時(shí)，反向偏置電流的大幅增加導(dǎo)致反向電壓變化不明顯。這個(gè)參數(shù)指標(biāo)通常是一個(gè)最小值。在測試VR時(shí)要在一定的時(shí)間內(nèi)加載一個(gè)小的反偏電流，然后測量LED上的電壓降。測量結(jié)果的大小范圍通常為幾十伏。

漏電流測試

一般地，漏電流(IL)的測量使用中等大小的電壓(幾伏到幾十伏)。漏電流測試測量的是當(dāng)加載的反向電壓低于擊穿電壓時(shí)LED上泄漏的小電流。在生產(chǎn)過程中確保漏流不超過一定的閾值是漏流測量的常用做法，也是隔離測量更普遍的做法。其中有兩個(gè)原因。第一，低電流測量需要較長的穩(wěn)定時(shí)間，因此它們需要更長的時(shí)間才能完成。第二，環(huán)境干擾和電噪聲對(duì)低值信號(hào)具有較大的影響，因此需要額外的屏蔽措施。這些額外的屏蔽措施增加了測試夾具的復(fù)雜性，并且可能干擾自動(dòng)機(jī)械手的操作。

智能儀器增大LED生產(chǎn)測試產(chǎn)能

過去，在很多LED生產(chǎn)測試系統(tǒng)中人們常常采用PC機(jī)控制測試的各個(gè)方面。換句話說，在測試序列的每個(gè)組成部分中，每個(gè)測試必須對(duì)信號(hào)源和測試儀器分別配置，執(zhí)行所需的操作，然后將數(shù)據(jù)返回給控制PC?？刂芇C然后進(jìn)行pass/fail判斷并執(zhí)行相應(yīng)的操作對(duì)DUT進(jìn)行分揀。發(fā)送和執(zhí)行的每條命令都浪費(fèi)了寶貴的測試時(shí)間，降低了產(chǎn)能。顯然，在這類以PC為中心的測試結(jié)構(gòu)中，大部分測試序列時(shí)間都被PC和測試儀器之間的通信所消耗了。

相反，當(dāng)前很多智能儀器，例如2600A系列數(shù)字源表，通過減少通信總線上的通信量，使得大幅提高復(fù)雜測試序列的產(chǎn)能成為可能。在這些儀器中，測試序列的主要部分嵌入在儀器內(nèi)部。測試腳本處理器(TSP®)是一種全能的測試序列引擎，能夠利用內(nèi)置的pass/fail判據(jù)、數(shù)學(xué)和計(jì)算公式控制測試序列和數(shù)字I/O端口。TSP能夠?qū)⒂脩糇远x的測試序列保存在存儲(chǔ)器中然后根據(jù)命令執(zhí)行它。這樣就限制了測試序列中每一步的設(shè)置和配置時(shí)間，通過最大限度減少與PC和儀器的通信而提高了測試產(chǎn)能。這類儀器的編程過程相對(duì)簡單：1)創(chuàng)建腳本;2)將腳本下載到儀器中;3)調(diào)用腳本執(zhí)行。對(duì)于2600A系列儀器，用戶可以利用儀器本身提供的Test Script Builder軟件編寫或者下載腳本，或者從用Visual Basic或LabVIEW等語言編寫的用戶應(yīng)用程序中下載到儀器中。

單LED器件測試系統(tǒng)

圖2是測試單個(gè)LED的測試系統(tǒng)簡化模塊圖。對(duì)于自動(dòng)化測試，通常包含一臺(tái)PC和一個(gè)元件機(jī)械手——晶圓級(jí)測量需要一個(gè)探針臺(tái)。

圖2. 基于數(shù)字源表的單LED測試系統(tǒng)模塊圖

在這個(gè)測試結(jié)構(gòu)中，PC機(jī)的主要作用是將測量數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫中用于資料記錄。第二個(gè)作用是針對(duì)不同的部件重新配置測試序列。2600A系列的獨(dú)特之處在于它們能夠獨(dú)立于PC控制器單獨(dú)工作。每臺(tái)儀器上內(nèi)嵌的TSP支持用戶編寫能夠在儀器本身上執(zhí)行的完整測試規(guī)劃。換句話說，用戶可以編寫完整的PASS/FAIL測試序列腳本，無需儀器重編程即可通過儀器面板運(yùn)行它。

生產(chǎn)測試系統(tǒng)可以利用元件機(jī)械手將單個(gè)LED傳送到測試夾具上，進(jìn)行電氣接觸。該夾具屏蔽了環(huán)境光，并且安裝了光電探測器(PD)進(jìn)行光學(xué)測量。在如圖2所示的配置中，使用了一臺(tái)2602A型雙通道數(shù)字源表實(shí)現(xiàn)兩種連接。其中，源測量單元A(SMUA)為LED提供測試信號(hào)并測量其電響應(yīng)，而SMUB在光學(xué)測量過程中用于監(jiān)測光電二極管。

測試序列在編程開始時(shí)利用元件機(jī)械手的一條數(shù)字線作為“測試啟動(dòng)(SOT)”信號(hào)。當(dāng)數(shù)字源表檢測到這個(gè)SOT信號(hào)后，LED特征分析測試就開始了。

在所有的電氣和光學(xué)測試都完成之后，系統(tǒng)為元件機(jī)械手設(shè)置一條標(biāo)志“測量完成”的數(shù)字線。此外，儀器本身的智能功能執(zhí)行所有的pass/fail操作，通過儀器上的數(shù)字I/O端口向元件機(jī)械手發(fā)送一條數(shù)字命令，根據(jù)pass/fail判據(jù)對(duì)LED進(jìn)行分揀。然后，可以設(shè)定兩個(gè)操作同時(shí)執(zhí)行：將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C進(jìn)行統(tǒng)計(jì)過程控制，同時(shí)將一個(gè)新的DUT傳送到測試夾具上。

多器件/陣列的LED測試系統(tǒng)

在多器件測試情況下，例如涉及老化的測試，我們要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)同時(shí)測量多個(gè)部件。驅(qū)動(dòng)DUT通常需要連續(xù)的電流，但是多個(gè)光學(xué)探測器可以通過開關(guān)系統(tǒng)復(fù)用一個(gè)電流計(jì)。用戶可以根據(jù)所測電流的動(dòng)態(tài)量程選擇合適的開關(guān)系統(tǒng)和電流計(jì)。

多LED器件測試可以選擇多種類型的開關(guān)。例如，3706型開關(guān)/萬用表具有6個(gè)開關(guān)模塊插槽，因此它最多可支持576個(gè)復(fù)用通道或者2688個(gè)矩陣交叉點(diǎn)。與2600A系列儀器類似，它也內(nèi)置了板載TSP和TSP-Link®設(shè)備間通信/觸發(fā)總線，利用這套總線可以快速而方便地將這些儀器集成到一個(gè)系統(tǒng)中。這種集成支持緊密同步的儀器間操作，并且能夠讓它們在一個(gè)測試腳本的控制下進(jìn)行操作。圖3給出了具有一個(gè)光電二極管(PD)通道的三LED器件測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖3. 采用可擴(kuò)展2602A數(shù)字源表通道構(gòu)建LED陣列測試系統(tǒng)的模塊圖

最大限度減少LED測試誤差

LED生產(chǎn)測試中的常見測量誤差源包括引線電阻、漏電流、靜電干擾和光干擾，但是結(jié)自熱是最重要的誤差源之一。對(duì)結(jié)發(fā)熱最敏感的兩種測試是正向電壓測試和漏電流測試。當(dāng)半導(dǎo)體結(jié)發(fā)熱時(shí)，電壓將會(huì)下降，更重要的是，在恒壓測試過程中漏電流會(huì)增大。因此，在不影響測量精度或穩(wěn)定性的情況下盡可能縮短測試時(shí)間是非常重要的。

具有板載測試腳本引擎的智能儀器能夠簡化配置測量前器件的保溫時(shí)間(soak time)以及采集輸入信號(hào)的時(shí)間。在保溫時(shí)間內(nèi)所有的電路電容在測量開始前穩(wěn)定下來。測量積分時(shí)間(integration time)取決于電源線周期數(shù)(NPLC)。如果輸入電源是60Hz，那么1NPLC測量就需要1/60秒，即16.667ms。積分時(shí)間決定了A/D轉(zhuǎn)換器采集輸入信號(hào)的時(shí)間，它要在測量速度和精度之間進(jìn)行折中。

VF測試的典型保溫時(shí)間從不到幾百微秒到5毫秒，IL測試的保溫時(shí)間從5到20毫秒。通過利用這些極短的測試時(shí)間，就能夠減少由于結(jié)發(fā)熱導(dǎo)致的誤差。此外，通過執(zhí)行一系列測試并只檢驗(yàn)測試時(shí)間，可以對(duì)結(jié)發(fā)熱的特征進(jìn)行分析。為了進(jìn)一步縮短測試時(shí)間，減少結(jié)自熱效應(yīng)，2600A系列儀器支持脈沖操作。在這種模式下，它們能夠在指定的周期內(nèi)在輸出端產(chǎn)生精密的信號(hào)源。1微秒的脈寬分辨率能夠精確控制器件的加電時(shí)間。

這類儀器在脈沖操作模式下還能夠輸出大大超出其直流能力的電流值。例如，2602A在6V下能夠輸出3A的直流電流。而在脈沖模式下，它能夠在20V下輸出10A的電流。雖然LED在生活中處處可見，但是LED也還有一些不足需要我們的設(shè)計(jì)人員擁有更加專業(yè)的知識(shí)儲(chǔ)備，這樣才能設(shè)計(jì)出更加符合生活所需的產(chǎn)品。