高密度、可見光LED的生產(chǎn)測試

　　可見光二極管（LED）憑借其長壽命和高可靠性的特點，正獲得越來越廣泛的應用。LED目前已經(jīng)用在了汽車、街燈、戶外標識等方面。此外，隨著新的顏色和新的關(guān)鍵應用的開發(fā)，采用高性價比的測試方法以確保LED可靠性的需求不斷增大。隨著高亮度和有機LED技術(shù)的出現(xiàn)，對測試設備的測量性能與產(chǎn)能的要求也越來越高。

　　LED發(fā)光是帶電粒子在半導體能隙之間躍遷的結(jié)果。能隙的大小決定了發(fā)光的波長。LED的發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了表面和邊緣發(fā)光技術(shù)，改變波長和功率特性等性能指標。

　　本文介紹了有關(guān)構(gòu)建用于檢驗單個和多個（陣列）LED器件的生產(chǎn)測試系統(tǒng)解決方案的方法和問題。

　　測試介紹

　　高性能LED通常要進行5種測試。其中包括直流頻譜上的三種測試（正向電壓、反向擊穿和漏電流測試）以及光譜上的兩種測試（光照強度和波長檢驗）。在生產(chǎn)環(huán)境下，通常只有直流測試涉及測試產(chǎn)能的問題。光學測試雖然很有用，但是通常較慢，一般保留用于工程或質(zhì)量控制實驗。下面詳細介紹各種測試和測試需求。

　　直流測試

　　圖1給出了本文介紹的三種直流測試的測試點。

圖1：典型的LED直流I-V曲線和測試點（不用于縮放）

　　正向電壓測試（VF）

　　VF測試檢驗可見光LED的正向工作電壓。超過這一工作電壓，電路電流的大幅增長將導致正向電壓明顯升高，如圖1所示。在一段特定的時間內(nèi)（例如1ms）在LED上加載特定的正向偏置電流（例如10mA），測量LED兩端的電壓降。測量的結(jié)果通常為幾百毫伏的量級。

　　反向擊穿電壓測試（VR）

　　VR測試檢驗LED的反向擊穿電壓，與二極管類似。當電壓高于這一電壓時，反偏電流的大幅增加使反向電壓變化不大。這一參數(shù)的技術(shù)指標通常是一個最小值。測試時在一段特定時間內(nèi)提供一個較低的反偏電流，同時測量LED兩端的電壓降。測量結(jié)果通常在幾伏到幾十伏的量級。

　　漏電流測試（IL）

　　IL測試檢驗LED的漏電流，即當反向電壓低于擊穿電壓時，LED中泄漏的小電流。測試時加載特定的反向電壓，經(jīng)過一定的時間后測量流過LED的相應電流。測試過程要檢驗測得的漏電流是否低于一定的閾值。這些電流的測量結(jié)果通常在納安到毫安的量級。

　　光學測試

　　光強和輻射強度測試

　　發(fā)光（即光照）強度的大小通常用流明/球面度或坎德拉來表示。它的大小范圍通常從毫坎德拉到幾個坎德拉的量級。我們可以利用這個參數(shù)來計算輻射強度，以瓦特/球面度來表示。輻射強度測量的是LED的總輸出（功率），而發(fā)光強度測量的是可見光范圍內(nèi)的輸出（功率）。輻射強度的大小范圍從略小于1μW/sr到幾十mW/sr不等。用總發(fā)光輸出（流明/瓦）除以輸入功率可以計算出發(fā)光效率。光照強度通常采用光電探測器（PD）進行測量。流過PD的反向漏電流大小與照射在它上面的光強度成正比。因此，如果用LED照射PD同時測量PD上相應的漏電流，就可以推算出光照強度。采用這種方法測量光照強度時，只需使用高速直流測試儀就可以構(gòu)建出能夠進行直流和光學測試的整個測試系統(tǒng)。如果不愿意使用這種直流測試方法，就必須使用累計球，本文不再對此進行詳細討論。

圖2：基于數(shù)字源表/靜電計的可見光LED生產(chǎn)測試典型測試系統(tǒng)的模塊圖

　　波長和色彩測試

　　我們通常采用分光計來測量波長，它測量的是LED輸出的主要和峰值波長。LED的輸出頻譜稱為遠場圖（farfield pattern，F(xiàn)FP），類似于一條以LED峰值波長為中心的正態(tài)曲線。半最大值處全寬度（Full width at halfmaximum，F(xiàn)WHM）計算作為半光強下的頻譜帶寬，用于表示LED的工作波長范圍。采用ISO/CIE標準色度系統(tǒng)可以測得LED輸出的色彩信息，這種系統(tǒng)可以測量出基于三基色（紅、藍和綠）大小的輸出色彩。

　　測試系統(tǒng)介紹

　　單LED測試系統(tǒng)

　　LED被放測試夾具中，連接數(shù)字源表的輸入端。放置器件和連接待測器件（DUT）的操作通常是由元件機械手完成的，以實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)流程。測試夾具通常是避光的，以防止由于環(huán)境光線的影響導致測試數(shù)據(jù)出錯。光電探測器（PD）集成在測試夾具中，當機械手將LED放入測試夾具中時，就對其進行測試。圖2給出了上述的典型直流特征分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　數(shù)字源表能夠?qū)ED進行三種直流測試。由于這種儀器能夠提供任意極性的電流源或電壓源，因此無須翻轉(zhuǎn)或移動放置在最初測試位置上的LED即可完成所有直流特征分析測試。數(shù)字源表和靜電計結(jié)合使用，能夠測出光照強度的大小。要對LED的光照強度進行特征分析，數(shù)字源表需要在LED的工作（電壓）范圍內(nèi)進行多點電流掃描（如圖3a所示），利用一臺6517A通過PD即可測出發(fā)光情況（如圖3b所示）。對于高產(chǎn)能應用，人們一般只在一個或少數(shù)幾個測試點上測量光照強度。

圖3a：LED測量電路

圖3b：光電探測器電源電路

　　多/陣列式LED系統(tǒng)

　　對于LED陣列、多管芯封裝或老化測試應用，我們常常需要同時測試很多LED。一次測試多個器件性價比最高的方式就是在測試系統(tǒng)中集成開關(guān)。老化測試通常需要對LED進行延時通電，這需要不帶開關(guān)的專用電源功能。老化測試系統(tǒng)中PD的測量一般采用多路復用的方式監(jiān)測不同時刻的LED性能。圖4給出了一種LED開關(guān)測試系統(tǒng)配置的例子。實際的系統(tǒng)可以配置任意數(shù)量的二極管，支持各種電氣指標。

圖4：多個LED到一臺2400型數(shù)字源表的切換以及多個PD到6517A型靜電計的切換（點擊圖片放大）

　　在多器件測試系統(tǒng)中，每次選擇單個LED進行測試，與該LED和用于檢測光照強度的PD對應的繼電器閉合。數(shù)字源表進行所需的直流測試，然后加載足夠的電流點亮LED，當LED點亮時，6517A測量PD增大的漏流。當這一測試過程完成后，再選擇用于下一個器件的開關(guān)通道。

　　7011型多路復用卡的偏移電流指標是100pA，這個值可能超出了測試系統(tǒng)的誤差容限。因此，用7158（或7058）型低電流掃描卡代替7011，可以將偏移量降低到1pA（30fA典型值）。注意，重要的是采用低電流卡將會降低系統(tǒng)可用的通道密度。低電流卡只有10個通道可用于掃描，這意味著當用它們替代7011時，需要使用的卡的數(shù)量將增加四倍。

　　集成器件

　　目前很多傳感器都在同一個封裝內(nèi)集成了LED和PD，用于構(gòu)成反射目標傳感器、光開關(guān)或其它一些混合器件。集成器件需要同時測試LED和PD的性能。其中要使用外部PD或者其它光敏器件單獨監(jiān)測LED的輸出。直流測試利用數(shù)字源表完成，但是當測量光照強度時，內(nèi)部和外部PD都要進行測量。不僅LED必須要通過所有所需的直流和光學測試，而且內(nèi)部PD數(shù)據(jù)也必須與從“標準”外部器件上獲取的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來。圖5給出了一個采用三臺數(shù)字源表的這類測試系統(tǒng)實例。

圖5：利用2400數(shù)字源表測量集成式LED/PD器件（點擊圖片放大）

　　根據(jù)測試規(guī)范

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