高密度、可见光LED的生产测试
可见光二极管（LED）凭借其长寿命和高可靠性的特点，正获得越来越广泛的应用。LED目前已经用在了汽车、街灯、户外标识等方面。此外，随着新的颜色和新的关键应用的开发，采用高性价比的测试方法以确保LED可靠性的需求不断增大。随着高亮度和有机LED技术的出现，对测试设备的测量性能与产能的要求也越来越高。
LED发光是带电粒子在半导体能隙之间跃迁的结果。能隙的大小决定了发光的波长。LED的发展已经产生了表面和边缘发光技术，改变波长和功率特性等性能指标。
本文介绍了有关构建用于检验单个和多个（阵列）LED器件的生产测试系统解决方案的方法和问题。
测试介绍
高性能LED通常要进行5种测试。其中包括直流频谱上的三种测试（正向电压、反向击穿和漏电流测试）以及光谱上的两种测试（光照强度和波长检验）。在生产环境下，通常只有直流测试涉及测试产能的问题。光学测试虽然很有用，但是通常较慢，一般保留用于工程或质量控制实验。下面详细介绍各种测试和测试需求。
直流测试
图1给出了本文介绍的三种直流测试的测试点。
图1：典型的LED直流I-V曲线和测试点（不用于缩放）
正向电压测试（VF）
VF测试检验可见光LED的正向工作电压。超过这一工作电压，电路电流的大幅增长将导致正向电压明显升高，如图1所示。在一段特定的时间内（例如1ms）在LED上加载特定的正向偏置电流（例如10mA），测量LED两端的电压降。测量的结果通常为几百毫伏的量级。
反向击穿电压测试（VR）
VR测试检验LED的反向击穿电压，与二极管类似。当电压高于这一电压时，反偏电流的大幅增加使反向电压变化不大。这一参数的技术指标通常是一个最小值。测试时在一段特定时间内提供一个较低的反偏电流，同时测量LED两端的电压降。测量结果通常在几伏到几十伏的量级。
漏电流测试（IL）
IL测试检验LED的漏电流，即当反向电压低于击穿电压时，LED中泄漏的小电流。测试时加载特定的反向电压，经过一定的时间后测量流过LED的相应电流。测试过程要检验测得的漏电流是否低于一定的阈值。这些电流的测量结果通常在纳安到毫安的量级。
光学测试
光强和辐射强度测试
发光（即光照）强度的大小通常用流明/球面度或坎德拉来表示。它的大小范围通常从毫坎德拉到几个坎德拉的量级。我们可以利用这个参数来计算辐射强度，以瓦特/球面度来表示。辐射强度测量的是LED的总输出（功率），而发光强度测量的是可见光范围内的输出（功率）。辐射强度的大小范围从略小于1μW/sr到几十mW/sr不等。用总发光输出（流明/瓦）除以输入功率可以计算出发光效率。光照强度通常采用光电探测器（PD）进行测量。流过PD的反向漏电流大小与照射在它上面的光强度成正比。因此，如果用LED照射PD同时测量PD上相应的漏电流，就可以推算出光照强度。采用这种方法测量光照强度时，只需使用高速直流测试仪就可以构建出能够进行直流和光学测试的整个测试系统。如果不愿意使用这种直流测试方法，就必须使用累计球，本文不再对此进行详细讨论。
图2：基于数字源表/静电计的可见光LED生产测试典型测试系统的模块图
波长和色彩测试
我们通常采用分光计来测量波长，它测量的是LED输出的主要和峰值波长。LED的输出频谱称为远场图（farfield pattern，FFP），类似于一条以LED峰值波长为中心的正态曲线。半最大值处全宽度（Full width at halfmaximum，FWHM）计算作为半光强下的频谱带宽，用于表示LED的工作波长范围。采用ISO/CIE标准色度系统可以测得LED输出的色彩信息，这种系统可以测量出基于三基色（红、蓝和绿）大小的输出色彩。
测试系统介绍
单LED测试系统
LED被放测试夹具中，连接数字源表的输入端。放置器件和连接待测器件（DUT）的操作通常是由元件机械手完成的，以实现自动化的生产流程。测试夹具通常是避光的，以防止由于环境光线的影响导致测试数据出错。光电探测器（PD）集成在测试夹具中，当机械手将LED放入测试夹具中时，就对其进行测试。图2给出了上述的典型直流特征分析系统结构。
数字源表能够对LED进行三种直流测试。由于这种仪器能够提供任意极性的电流源或电压源，因此无须翻转或移动放置在最初测试位置上的LED即可完成所有直流特征分析测试。数字源表和静电计结合使用，能够测出光照强度的大小。要对LED的光照强度进行特征分析，数字源表需要在LED的工作（电压）范围内进行多点电流扫描（如图3a所示），利用一台6517A通过PD即可测出发光情况（如图3b所示）。对于高产能应用，人们一般只在一个或少数几个测试点上测量光照强度。
图3a：LED测量电路
图3b：光电探测器电源电路
多/阵列式LED系统
对于LED阵列、多管芯封装或老化测试应用，我们常常需要同时测试很多LED。一次测试多个器件性价比最高的方式就是在测试系统中集成开关。老化测试通常需要对LED进行延时通电，这需要不带开关的专用电源功能。老化测试系统中PD的测量一般采用多路复用的方式监测不同时刻的LED性能。图4给出了一种LED开关测试系统配置的例子。实际的系统可以配置任意数量的二极管，支持各种电气指标。
图4：多个LED到一台2400型数字源表的切换以及多个PD到6517A型静电计的切换（点击图片放大）
在多器件测试系统中，每次选择单个LED进行测试，与该LED和用于检测光照强度的PD对应的继电器闭合。数字源表进行所需的直流测试，然后加载足够的电流点亮LED，当LED点亮时，6517A测量PD增大的漏流。当这一测试过程完成后，再选择用于下一个器件的开关通道。
7011型多路复用卡的偏移电流指标是100pA，这个值可能超出了测试系统的误差容限。因此，用7158（或7058）型低电流扫描卡代替7011，可以将偏移量降低到1pA（30fA典型值）。注意，重要的是采用低电流卡将会降低系统可用的通道密度。低电流卡只有10个通道可用于扫描，这意味着当用它们替代7011时，需要使用的卡的数量将增加四倍。
集成器件
目前很多传感器都在同一个封装内集成了LED和PD，用于构成反射目标传感器、光开关或其它一些混合器件。集成器件需要同时测试LED和PD的性能。其中要使用外部PD或者其它光敏器件单独监测LED的输出。直流测试利用数字源表完成，但是当测量光照强度时，内部和外部PD都要进行测量。不仅LED必须要通过所有所需的直流和光学测试，而且内部PD数据也必须与从“标准”外部器件上获取的数据关联起来。图5给出了一个采用三台数字源表的这类测试系统实例。
图5：利用2400数字源表测量集成式LED/PD器件（点击图片放大）
根据测试规范
评论