高性能HBLED的測試技術(shù)簡(jiǎn)介及應用

高亮度LED(HBLED)相比傳統的LED具有高得多的性能，但是同時(shí)具有更高的成本。這兩個(gè)因素決定了HBLED在研發(fā)和生產(chǎn)階段的測試方式。

測試需求

高亮度發(fā)光二極管(HBLED)憑借其高效率、長(cháng)壽命和色彩豐富等特性正快速發(fā)展。這些特性使得HBLED廣泛應用于諸如建筑照明、汽車(chē)照明、醫療設備、軍用系統甚至普通照明領(lǐng)域中。隨著(zhù)HBLED價(jià)格進(jìn)一步的降低、效率不斷的提高，市場(chǎng)對這類(lèi)器件的需求將會(huì )更快的增長(cháng)，但是這需要更先進(jìn)的測試方法和儀器。

為了利用HBLED所具備的這些新機會(huì )，制造商們正努力尋求現有HBLED設計增大產(chǎn)量、降低單位成本的方法。在研發(fā)實(shí)驗室中，人們正研究采用新的III-V族材料和磷(用于白光)能否使得HBLED具有更低的生產(chǎn)成本和更好的性能。大家重點(diǎn)關(guān)注的指標包括更高的效率、更多的色彩、更大的電流密度和光輸出、更好的封裝和更強的冷卻能力。這些目標對于用于照明的HBLED器件尤其重要，因為傳統的白熾燈和熒光燈在單位價(jià)格方面具有明顯的優(yōu)勢。

從研發(fā)到生產(chǎn)的整個(gè)過(guò)程中必須進(jìn)行有效的電氣測量，即使是在排除技術(shù)問(wèn)題的時(shí)候也常常要進(jìn)行這類(lèi)測量。當某種新技術(shù)被商業(yè)化的時(shí)候，精心的生產(chǎn)測試對于優(yōu)化工藝和改善良率非常關(guān)鍵。然而，對于量產(chǎn)的產(chǎn)品而言，快速的自動(dòng)化測量、同時(shí)又能夠在較寬的參數范圍內保持高精度和靈敏度也至關(guān)重要。在測試單個(gè)器件(例如利用機械手系統測試芯片或者封裝的部件)和進(jìn)行多器件并行的晶圓級測試進(jìn)行上游初選時(shí)，必須滿(mǎn)足這些測試需求。

其它測試需求

高亮度發(fā)光二極管(HBLED)最新的發(fā)展使得它的市場(chǎng)需求大大增加了。這類(lèi)新型LED具有更高的效率、更長(cháng)的壽命和更多的色彩，使得它們的應用范圍不再僅僅局限于指示燈，而是轉向更廣泛的應用領(lǐng)域。當前，LED正被應用于專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域以及汽車(chē)發(fā)光、醫療設備和軍用系統中。已經(jīng)出現了取代熒光燈和白熾燈用于普通照明的明顯趨勢?；贚ED照明系統的這種應用擴展和廣泛實(shí)現給制造商們帶來(lái)了微薄的機會(huì )。這亟需通過(guò)介入制造工藝并增大產(chǎn)能來(lái)降低這類(lèi)器件的單位成本，同時(shí)要通過(guò)持續的研發(fā)堅持創(chuàng )新，保持技術(shù)上的穩固地位。

為了同時(shí)實(shí)現這些目標，這種器件的特征分析就顯得尤為重要。測試工程師必須構建出能夠保持研發(fā)測試原始特性的系統，同時(shí)增大產(chǎn)能進(jìn)行有效的生產(chǎn)。隨著(zhù)新技術(shù)的商業(yè)化應用，高精度測試的實(shí)現對于優(yōu)化工藝、提高良率非常關(guān)鍵，而自動(dòng)化測量和處理技術(shù)的實(shí)現則有助于增大產(chǎn)能而又不影響高精度和靈敏度。在測試單個(gè)器件(例如利用機械手系統測試芯片或者封裝部件)和進(jìn)行多器件并行的晶圓級測試進(jìn)行上游初選時(shí)，必須滿(mǎn)足這些測試需求。

LED特性確定測試

最簡(jiǎn)單的傳統LED都是同構結構的，即P和N結都采用相同類(lèi)型材料。這種情況下點(diǎn)陣匹配的難度最小，也簡(jiǎn)化了工藝，從而降低了成本，但是發(fā)光效率不高。典型的工作條件是在2V正偏電壓下施加20mA的驅動(dòng)電流。根據產(chǎn)品和驅動(dòng)電流的范圍，發(fā)光強度可從1到100mcd。一種用于指示燈的LED價(jià)格可能是$0.30。

Figure1.DiagramofamultilayerHBLED.

頂層電極/P型接觸層/P型電流分布層N型電流阻塞層/雙異構/N型襯底/底層電極

圖1.多層HBLED的結構圖

HBLED采用多種材料制成，具有更復雜的半導體結構(如圖1所示)。這些混合結，即異質(zhì)結，是采用多種III-V族材料(例如AlGaN)構成的。這些結構通過(guò)電荷的復合能夠優(yōu)化光子的產(chǎn)生。采用這類(lèi)結構再結合更先進(jìn)的光提取(lightextraction)技術(shù)，HBLED的光強輸出范圍可從幾百到幾千mcd。

要達到這一水平，HBLED可能需要4V以上的正偏電壓和1A的電流。這種高電流源需要在PN結之間設置電子阻塞層，以增大輻射復合率，并減少結的自熱(I2R)。此外，HBLED的管殼必須能夠散發(fā)更多的熱量，保持LED的結溫處于合適的大小(一般情況下低于120°C)。要想實(shí)現更有效的熱傳輸，管殼可以利用電流分布層以及更可靠的鍵合線(xiàn)技術(shù)來(lái)實(shí)現。

由于具有這些額外的特性，HBLED的生產(chǎn)過(guò)程并不容易。當前，由于工藝問(wèn)題導致點(diǎn)陣匹配不佳，HBLED的生產(chǎn)晶圓有大量的缺陷，必須通過(guò)測試來(lái)剔除掉。復雜的封裝以及生產(chǎn)過(guò)程中大量昂貴的附加工序大大增加了產(chǎn)品成本。因此，一個(gè)用于專(zhuān)業(yè)照明應用的頂級HBLED價(jià)格可能高達$30。

測試程序

就像上面所暗示的那樣，一種產(chǎn)品的固有應用和成本結構是其生產(chǎn)測試方法的決定因素。例如，用于高度審美建筑照明的HBLED可能需要達到甚至超過(guò)白熾燈或熒光燈的性能指標。同樣，用于汽車(chē)照明的HBLED必須通過(guò)較寬工作條件下(一般為–30°C到+85°C)嚴格的光學(xué)和電氣限制。

對于諸如此類(lèi)的重要應用，HBLED通常需要進(jìn)行100%的晶圓級測試。標準測試內容包括一種或多種正偏條件(V和I測量)下的光輸出強度和光譜、特定電壓下的反偏漏流測試以及ESD容限測試。在封裝之后，高達100%的器件可能需要再次進(jìn)行測試，完成最終的特性分析和分揀操作。這些步驟消耗的總測試時(shí)間占據了生產(chǎn)吞吐時(shí)間的很大一部分。由于HBLED應用需要所有這些測試，所以增大產(chǎn)能的唯一辦法就是加快測試速度(即縮短測量時(shí)間)。

這與傳統LED的測試方法形成了鮮明對比。它們通常是對封裝后的器件進(jìn)行抽樣測試，抽樣率為1-10%，很少進(jìn)行晶圓級測試。在這種低抽樣率下就可以進(jìn)行更多測試，例如除了前面提到的HBLED的測試之外，還可以進(jìn)行遠場(chǎng)碼型/光軸測試，但是需要測試的器件總數仍然較少，測試時(shí)間對產(chǎn)能的影響很小。

測試方法學(xué)

HBLED的應用和增加的處理過(guò)程需要混合的測試方法和測試儀器。大多數元件測試的主要測量方法是對待測器件(DUT)加載一個(gè)電流或電壓源，然后測量它對這一激勵的響應。

Figure2.TypicalHBLEDL-Icurve.

規格化的光通量/正偏電流(mA)

圖2.典型HBLED的L-I曲線(xiàn)

對于HBLED通常進(jìn)行下列測試：

發(fā)光強度(L)：加載+I，測量L(如圖2所示)

正向電壓(Vf)：加載+I，測量Vf(如圖3所示)

反向擊穿電壓(Vr)：加載-I，測量Vr

反偏漏流(Ir)：加載-V，測量Ir

結溫(T)：加載I脈沖，測量VT并估算結溫

ESD——靜電放電損傷/壽命測試：在一段短時(shí)間內加載一個(gè)確定的電壓，然后重新測試DUT上的反偏漏流。

Figure3.AnHBLEDforwardI-Vcurve.

平均正向電流(mA)/Vf=正向電壓(V)

圖3.HBLED的正向I-V曲線(xiàn)

正向電壓、光譜輸出(如圖4所示)、發(fā)光強度和擊穿特性對于器件分揀和正常工作非常重要。我們還需要把這些特性與結溫(Tj)聯(lián)系起來(lái)。如圖5所示。

Figure4.RelativespectralpowerdistributionsforvariousHBLEDcolors.

品藍色藍色藍綠色綠色/相對光譜功率分布/波長(cháng)(nm)

圖4.各種HBLED色彩的相對光譜功率分布

Figure5.Lightoutputvs.junctiontemperaturederatingcurve.

相對光輸出/藍色光度/品藍色光度/藍綠色光度

白色光度/綠色光度/結溫TJ(℃)

圖5.光輸出與結溫關(guān)系的降負荷曲線(xiàn)

例如，在很多HBLED應用中，多個(gè)器件同時(shí)安裝在一個(gè)夾具上并采用并聯(lián)的布線(xiàn)方式，以實(shí)現較大面積的照明。汽車(chē)尾燈就是采用這種設計。在這種結構下，確保每個(gè)LED的I-V特性相同非常重要。特性差異會(huì )引起某些LED產(chǎn)生較大的電流，升高它們的結溫，從而導致過(guò)早的失效。由于單個(gè)器件失效而替換整個(gè)LED裝置的成本是很高的。通過(guò)匹配LED的Vt參數(即在一定結溫下測得的電壓)可以盡量避免出現這種情況。這一溫度可以表示為：

Tj=Ta+DTj,

其中Tj(.

測試儀器

無(wú)論是在研發(fā)實(shí)驗室還是在生產(chǎn)環(huán)境下，高精度的光譜分析儀(OSA)和單直流源測量單元(SMU)都可以用于對新型的HBLED設計進(jìn)行特征分析(如圖6所示)。在生產(chǎn)過(guò)程中對傳統LED進(jìn)行特征分析時(shí)，通常使用比較便宜的實(shí)驗室儀器和自研的測試系統，因為其所需的精度較低，測試速度較慢。這類(lèi)設備包括比較便宜的電源、用于電氣測量的DMM和低價(jià)位的分光計，所有的儀器通過(guò)GPIB連接在一起。

Figure6.SingleLEDlaboratorytestsystem.

輸出HI檢測HI/電流源2400系列數字源表/輸出LO檢測LO

圖6.單LED的實(shí)驗室測試系統

HBLED特征分析的新需求大大改變了對測試儀器的要求。由于具有高精度和高速度的特點(diǎn)，SMU已經(jīng)成為HBLED特征分析的一種標準儀器。除了速度和精度上的優(yōu)勢之外，SMU的其它特性也非常適合于進(jìn)行正向電壓(Vf)、反向擊穿電壓(Vr)和反偏漏流(Ir)測試。SMU能夠提供四象限電流和電壓源，這有助于實(shí)現I-V測試和光強度測量。

當HBLED的設計轉向生產(chǎn)時(shí)，對高速測試的需求也增大了。某種情況下，對單個(gè)器件的測試很難更快了，那么為了增大產(chǎn)能，并行器件測試就變成了一個(gè)重要的選擇。此外，對于器件和量產(chǎn)之間的有效性對比，測量必須是高度可重復的。

Figure7.Keithleymulti-channelHBLEDwafertestsystem.

提供電流源測量電壓/提供電流源測量電壓/提供電流源測量電壓

提供電流源測量電壓/LED晶圓/探針臺/以太網(wǎng)

圖7.吉時(shí)利多通道HBLED晶圓測試系統

為了滿(mǎn)足這些需求，多臺SMU可以通過(guò)外部觸發(fā)線(xiàn)連接在一起。另外一種辦法就是采用集成式高精度、高速度多通道SMU系統。如圖7所示。這些精密測量系統是針對高產(chǎn)能的需求而設計的，可靠性足以適應生產(chǎn)環(huán)境，并且具有提高測試效率的控制功能。

除了探針儀之外，圖7中所介紹的儀器完全包含在底板采用機架式安裝的一套機箱中。該系統具有實(shí)時(shí)并行測試和“線(xiàn)路輸出”功能(連接晶圓探針儀的一種線(xiàn)纜接口)，這里采用了一種快速以太網(wǎng)連接。這種系統支持精確、高速和完全并行的多DUT測試，這正是高效HBLED生產(chǎn)所需要的。由于數據通信是通過(guò)PCI底板或以太網(wǎng)鏈路進(jìn)行的，從而消除了GPIB通信導致的產(chǎn)能下降問(wèn)題。

該系統的設計支持在探針卡上集成聚光元件，從而可以對晶圓進(jìn)行并行的光學(xué)測試和電氣特征分析。測試儀的PCI底板能夠容納多達9塊SMU卡，每一塊都能夠同時(shí)對4個(gè)HBLED進(jìn)行電氣測試，測試的直流電平最高可達10V電流可達1A。這相當于在一個(gè)機箱中緊密集成了36個(gè)測試儀。(能夠同時(shí)接觸到的實(shí)際器件數取決于管芯的間距和導電pad的排列方式。)另外，每塊SMU卡上的四個(gè)電流源可以并聯(lián)起來(lái)，以最高4A的電流同時(shí)測試9個(gè)HBLED。

如果需要，該系統可以通過(guò)分光計PCI卡接口實(shí)現OSA測量。在這種功能下，常用的測試順序如下：

1.探針儀將一塊晶圓移動(dòng)到位，使探針下壓接觸多個(gè)獨立的HBLED管芯。

2.測試儀對各個(gè)管芯同時(shí)加載正向電流，采用5種不同的電流值。然后測試儀同時(shí)測出各個(gè)管芯上的正向電壓降。

3.測試儀對各個(gè)管芯同時(shí)加載反向電壓。然后測試儀同時(shí)測出每個(gè)管芯的漏流。

4.記錄數據。

5.探針儀轉向晶圓的下一個(gè)位置。

6.重復上述步驟1-5直至測試完整個(gè)晶圓(或者設定的采樣尺寸)。

可以采用直流測量代替某些直接的光學(xué)測量。例如，可以采用光電探測器(PD)測量光強度。通過(guò)PD的光電流大小與照射在它上面的光的多少成正比。通過(guò)將HBLED發(fā)出的光定向到PD上并測出相應的漏電流，就可以計算出光強度。采用這種方法測量光強度可以利用高速直流測試儀完成大部分的測試工作。

其它一些儀器問(wèn)題

上面所討論的精度、可重復性和測試產(chǎn)能問(wèn)題是在選擇測試設備時(shí)要考慮的基本問(wèn)題。一般認為，速度和精度之間總是存在一定的折衷，但有時(shí)候這些變化因素的綜合影響很難分析清楚。精度和可重復性應該足夠高，以避免良率問(wèn)題(即通過(guò)了壞的元件或者淘汰了好的元件)。因此，測量速度應該是可編程的，以便在產(chǎn)能和良率二者之間進(jìn)行優(yōu)化。這可以通過(guò)可編程的SMU信號集成周期來(lái)實(shí)現，通過(guò)調節這一周期可以實(shí)現最佳的測量間隙和噪聲抑制組合。

但是，我們無(wú)法獲得系統原本就不支持的性能。測試儀在設計時(shí)要圍繞低噪聲、高電流直流電源和分布式系統來(lái)考慮，這樣才可能實(shí)現精確的高速源和測量功能。這種設計應該結合精確的驅動(dòng)電流控制、快速的穩定時(shí)間和高分辨率等因素來(lái)實(shí)現其功能。

測試儀器的架構和控制方式也對測試產(chǎn)能和其它一些系統性能參數有很大影響。觸發(fā)式總線(xiàn)能夠簡(jiǎn)化卡之間的硬件同步。機箱控制器PC應該兼容業(yè)界標準的測試開(kāi)發(fā)和執行環(huán)境。固件應該對系統集成人員屏蔽嵌入式控制器編程的細節，使得他們不必學(xué)習新的語(yǔ)言或者程序。

例如，SMU卡的驅動(dòng)軟件應該允許測試工程師在測試儀機箱中合并多種生產(chǎn)測試單元控制功能。這樣不但能夠降低系統的復雜性，而且能夠加快測試程序開(kāi)發(fā)和執行的速度。類(lèi)似的，測試儀還應該易于和其它測試儀器進(jìn)行互連，就像這個(gè)例子中，一塊PCI底板能夠兼容各種第三方廠(chǎng)商的卡。

除了提高性能以及使測試系統的操作更加友好之外，這樣的特性還有助于縮小系統的總體尺寸，這對于面積緊張的工廠(chǎng)而言是需要考慮的重要因素。此外，在動(dòng)態(tài)的市場(chǎng)環(huán)境下，開(kāi)放式架構和模塊化設計還能夠使系統快速適應生產(chǎn)線(xiàn)的變化和不斷出現的測試需求。所有這些都有利于減少投資、系統集成和操作的費用，從而降低測試成本，提高產(chǎn)品良率。