確保高亮LED精度與性?xún)r(jià)比的方法 (1)

精確而高性?xún)r(jià)比的測試對于確保LED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(lèi)型的測試序列，例如設計研發(fā)階段的測試、生產(chǎn)過(guò)程中的晶圓級測試、以及封裝后的最終測試。本文著(zhù)重探討電氣特征分析，而在適當的時(shí)候介紹部分光學(xué)測量技術(shù)。

LED測試在生產(chǎn)的不同階段具有不同類(lèi)型的測試序列，例如設計研發(fā)階段的測試、生產(chǎn)過(guò)程中的晶圓級測試、以及封裝后的最終測試。LED的測試一般包含電氣和光學(xué)測量，而本文著(zhù)重探討電氣特征分析，只在適當的時(shí)候介紹部分光學(xué)測量技術(shù)。圖1給出了典型二極管的電氣I-V曲線(xiàn)。完整的測試應該包含大量的電壓值與對應的電流工作點(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。

圖1：典型LED的直流I-V曲線(xiàn)和測試點(diǎn)

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于這類(lèi)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)測試檢驗的是可見(jiàn)光LED上的正向工作電壓。當在二極管上加載一個(gè)正向電流時(shí)，它開(kāi)始導通。剛開(kāi)始在低電流下，二極管上的電壓降快速上升，但是隨著(zhù)驅動(dòng)電流的增加，電壓斜率開(kāi)始變平。二極管一般工作在這個(gè)電壓相對恒定的區域。在這些工作條件下對二極管進(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果進(jìn)行器件分揀，因為正向電壓與LED的色度(由色彩主波長(cháng)或者互補波長(cháng)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，因為電子電流與發(fā)光的強弱密切相關(guān)。通過(guò)在待測器件附近放一個(gè)光電二極管或者累計球捕捉發(fā)出的光子可以測出光強度(optical power)。然后將光轉換成電流，利用安培計或者源測量?jì)x器的一個(gè)通道測量電流的大小。

在很多測試應用中，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(lái)。此外，利用分光計可以在同樣大小的驅動(dòng)電流下測出諸如光譜輸出之類(lèi)的詳細參數。

反向擊穿電壓測試

對LED加載一個(gè)反向偏置電流可以測出反向擊穿電壓(VR)。測試電流的大小應該設置為當電流稍微增加時(shí)測出的電壓值不再明顯增大的位置。當電壓高于這個(gè)電壓值時(shí)，反向偏置電流的大幅增加導致反向電壓變化不明顯。這個(gè)參數指標通常是一個(gè)最小值。在測試VR時(shí)要在一定的時(shí)間內加載一個(gè)小的反偏電流，然后測量LED上的電壓降。測量結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(guò)程中確保漏流不超過(guò)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(cháng)的穩定時(shí)間，因此它們需要更長(cháng)的時(shí)間才能完成。第二，環(huán)境干擾和電噪聲對低值信號具有較大的影響，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雜性，并且可能干擾自動(dòng)機械手的操作。

智能儀器提升LED生產(chǎn)測試能力

過(guò)去，在很多LED生產(chǎn)測試系統中人們常常采用PC機控制測試的各個(gè)方面。換句話(huà)說(shuō)，在測試序列的每個(gè)組成部分中，每個(gè)測試必須對信號源和測試儀器分別配置，執行所需的操作，然后將數據返回給控制PC?？刂芇C然后進(jìn)行pass/fail判斷并執行相應的操作對DUT進(jìn)行分揀。發(fā)送和執行的每條命令都浪費了寶貴的測試時(shí)間，因此降低了處理能力。顯然，在這類(lèi)以PC為中心的測試結構中，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，當前很多智能儀器，例如2600A系列數字源表，通過(guò)減少通信總線(xiàn)上的通信量，使得大幅提高復雜測試序列的能力成為可能。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，能夠利用內置的pass/fail判據、數學(xué)和計算公式控制測試序列和數字I/O端口。TSP能夠將用戶(hù)自定義的測試序列保存在存儲器中然后根據命令執行它。這樣就限制了測試序列中每一步的設置和配置時(shí)間，通過(guò)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(lèi)儀器的編程過(guò)程相對簡(jiǎn)單：1)創(chuàng )建腳本;2)將腳本下載到儀器中;3)調用腳本執行。對于2600A系列儀器，用戶(hù)可以利用儀器本身提供的Test Script Builder軟件編寫(xiě)或者下載腳本，或者從用Visual Basic或LabVIEW等語(yǔ)言編寫(xiě)的用戶(hù)應用程序中下載到儀器中。

單LED器件測試系統

圖2是測試單個(gè)LED的測試系統簡(jiǎn)化模塊圖。對于自動(dòng)化測試，通常包含一臺PC和一個(gè)元件機械手(晶圓級測量需要一個(gè)探針臺)。

在這個(gè)測試結構中，PC機的主要作用是將測量數據保存在數據庫中用于資料記錄。第二個(gè)作用是針對不同的部件重新配置測試序列。2600A系列的獨特之處在于它們能夠獨立于PC控制器單獨工作。每臺儀器上內嵌的TSP支持用戶(hù)編寫(xiě)能夠在儀器本身上執行的完整測試規劃。換句話(huà)說(shuō)，用戶(hù)可以編寫(xiě)完整的pass/fail測試序列腳本，無(wú)需儀器重編程即可通過(guò)儀器面板運行它。

圖2：基于數字源表的單LED測試系統模塊圖

生產(chǎn)測試系統可以利用元件機械手將單個(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2602A型雙通道數字源表實(shí)現兩種連接。其中，源測量單元A(SMUA)為L(cháng)ED提供測試信號并測量其電響應，而SMUB在光學(xué)測量過(guò)程中用于監測光電二極管。

測試序列在編程開(kāi)始時(shí)利用元件機械手的一條數字線(xiàn)作為“測試啟動(dòng)(SOT)”信號。當數字源表檢測到這個(gè)SOT信號后，LED特征分析測試就開(kāi)始了。

在所有的電氣和光學(xué)測試都完成之后，系統為元件機械手設置一條標志“測量完成”的數字線(xiàn)。此外，儀器本身的智能功能執行所有的pass/fail操作，通過(guò)儀器上的數字I/O端口向元件機械手發(fā)送一條數字命令，根據pass/fail判據對LED進(jìn)行分揀。然后，可以設定兩個(gè)操作同時(shí)執行：將數據傳輸到PC進(jìn)行統計過(guò)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

在多器件測試情況下，例如涉及老化的測試，我們要在規定的時(shí)間內同時(shí)測量多個(gè)部件。驅動(dòng)DUT通常需要連續的電流，但是多個(gè)光學(xué)探測器可以通過(guò)開(kāi)關(guān)系統復用一個(gè)電流計。用戶(hù)可以根據所測電流的動(dòng)態(tài)量程選擇合適的開(kāi)關(guān)系統和電流計。

多LED器件測試可以選擇多種類(lèi)型的開(kāi)關(guān)。例如，3706型開(kāi)關(guān)/萬(wàn)用表具有6個(gè)開(kāi)關(guān)模塊插槽，因此它最多可支持576個(gè)復用通道或者2688個(gè)矩陣交叉點(diǎn)。與2600A系列儀器類(lèi)似，它也內置了板載TSP和TSP-Link設備間通信/觸發(fā)總線(xiàn)，利用這套總線(xiàn)可以快速而方便地將這些儀器集成到一個(gè)系統中。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)光電二極管通道的三LED器件測試系統結構。

圖3：采用可擴展2602A數字源表通道構建LED陣列測試系統的模塊圖

最大限度減少LED測試誤差

LED生產(chǎn)測試中的常見(jiàn)測量誤差源包括引線(xiàn)電阻、漏電流、靜電干擾和光干擾，但是結自熱是最重要的誤差源之一。對結發(fā)熱最敏感的兩種測試是正向電壓測試和漏電流測試。當半導體結發(fā)熱時(shí)，電壓將會(huì )下降，更重要的是，在恒壓測試過(guò)程中漏電流會(huì )增大。因此，在不影響測量精度或穩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(jiǎn)化配置測量前器件的持溫時(shí)間(soak time)以及采集輸入信號的時(shí)間。在保溫時(shí)間內所有的電路電容在測量開(kāi)始前穩定下來(lái)。測量積分時(shí)間取決于電源線(xiàn)周期數(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ADC采集輸入信號的時(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(guò)利用這些極短的測試時(shí)間，就能夠減少由于結發(fā)熱導致的誤差。此外，通過(guò)執行一系列測試并只檢驗測試時(shí)間，可以對結發(fā)熱的特征進(jìn)行分析。
　　為了進(jìn)一步縮短測試時(shí)間，減少結自熱效應，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在輸出端產(chǎn)生精密的信號源。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(lèi)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。