可見(jiàn)光發(fā)光二極管(LED)兼具高效率和長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。目前，它們的應(yīng)用十分廣泛。制造商們通過(guò)對(duì)的深入研究已經(jīng)研制出了具有更高光通量、更長(zhǎng)壽命、更多色彩和更高每瓦流明數(shù)的新器件。精確而高性?xún)r(jià)比的測(cè)試對(duì)于確保器件的可靠性和質(zhì)量至關(guān)重要。

在生產(chǎn)的不同階段具有不同類(lèi)型的測(cè)試序列，例如設(shè)計(jì)研發(fā)階段的測(cè)試、生產(chǎn)過(guò)程中的晶圓級(jí)測(cè)試、以及封裝后的最終測(cè)試。盡管LED的測(cè)試一般包含電氣和，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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)試點(diǎn)(不可縮放)

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

在LED 測(cè)試序列中，正向電壓(VF)測(cè)試檢驗(yàn)的是可見(jiàn)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(kāi)始導(dǎo)通。剛開(kāi)始在低電流下，二極管上的電壓降快速上升，但是隨著驅(qū)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(duì)恒定的區(qū)域。在這些工作條件下對(duì)二極管進(jìn)行測(cè)試也非常有用。VF測(cè)試需要提供一個(gè)已知的電流然后測(cè)量二極管上產(chǎn)生的電壓降。典型的測(cè)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(cè)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(zhǎng)及其純度共同表征的色彩品質(zhì))相關(guān)。

光學(xué)測(cè)試

正向偏置電流也用于光學(xué)測(cè)試，因?yàn)殡娮与娏髋c發(fā)光的強(qiáng)弱密切相關(guān)。通過(guò)在待測(cè)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(cè)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(cè)量?jī)x器的一個(gè)通道測(cè)量電流的大小。

在很多測(cè)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(cè)出來(lái)。此外，利用分光計(jì)可以在同樣大小的驅(qū)動(dòng)電流下測(cè)出諸如光譜輸出之類(lèi)的詳細(xì)參數(shù)。

反向擊穿電壓測(cè)試

對(duì)LED加載一個(gè)反向偏置電流可以測(cè)出反向擊穿電壓(VR)。測(cè)試電流的大小應(yīng)該設(shè)置為當(dāng)電流稍微增加時(shí)測(cè)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(cè)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(cè)量LED上的電壓降。測(cè)量結(jié)果的大小范圍通常為幾十伏。

漏電流測(cè)試

一般地，漏電流(IL)的測(cè)量使用中等大小的電壓(幾伏到幾十伏)。漏電流測(cè)試測(cè)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(guò)程中確保漏流不超過(guò)一定的閾值是漏流測(cè)量的常用做法，也是隔離測(cè)量更普遍的做法。其中有兩個(gè)原因。第一，低電流測(cè)量需要較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間，因此它們需要更長(zhǎng)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(cè)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(cè)試產(chǎn)能

過(guò)去，在很多LED生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)中人們常常采用PC機(jī)控制測(cè)試的各個(gè)方面。換句話說(shuō)，在測(cè)試序列的每個(gè)組成部分中，每個(gè)測(cè)試必須對(duì)信號(hào)源和測(cè)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。控制PC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(cè)試時(shí)間，降低了產(chǎn)能。顯然，在這類(lèi)以PC為中心的測(cè)試結(jié)構(gòu)中，大部分測(cè)試序列時(shí)間都被PC和測(cè)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(guò)減少通信總線上的通信量，使得大幅提高復(fù)雜測(cè)試序列的產(chǎn)能成為可能。在這些儀器中，測(cè)試序列的主要部分嵌入在儀器內(nèi)部。測(cè)試腳本處理器(TSP?)是一種全能的測(cè)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(cè)試序列和數(shù)字I/O端口。TSP能夠?qū)⒂脩糇远x的測(cè)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(cè)試序列中每一步的設(shè)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(cè)試產(chǎn)能。這類(lèi)儀器的編程過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)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(xiě)或者下載腳本，或者從用Visual Basic或LabVIEW等語(yǔ)言編寫(xiě)的用戶應(yīng)用程序中下載到儀器中。

單LED器件測(cè)試系統(tǒng)

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

圖2. 基于數(shù)字源表的單LED測(cè)試系統(tǒng)模塊圖

在這個(gè)測(cè)試結(jié)構(gòu)中，PC機(jī)的主要作用是將測(cè)量數(shù)據(jù)保存在數(shù)據(jù)庫(kù)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(cè)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(xiě)能夠在儀器本身上執(zhí)行的完整測(cè)試規(guī)劃。換句話說(shuō)，用戶可以編寫(xiě)完整的PASS/FAIL測(cè)試序列腳本，無(wú)需儀器重編程即可通過(guò)儀器面板運(yùn)行它。
生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)可以利用元件機(jī)械手將單個(gè)LED傳送到測(cè)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(cè)器(PD)進(jìn)行光學(xué)測(cè)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(cè)量單元A(SMUA)為L(zhǎng)ED提供測(cè)試信號(hào)并測(cè)量其電響應(yīng)，而SMUB在光學(xué)測(cè)量過(guò)程中用于監(jiān)測(cè)光電二極管。

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

在所有的電氣和光學(xué)測(cè)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(cè)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(guò)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(guò)程控制，同時(shí)將一個(gè)新的DUT傳送到測(cè)試夾具上。

多器件/陣列的LED測(cè)試系統(tǒng)

在多器件測(cè)試情況下，例如涉及老化的測(cè)試，我們要在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)同時(shí)測(cè)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(cè)器可以通過(guò)開(kāi)關(guān)系統(tǒng)復(fù)用一個(gè)電流計(jì)。用戶可以根據(jù)所測(cè)電流的動(dòng)態(tài)量程選擇合適的開(kāi)關(guān)系統(tǒng)和電流計(jì)。

多LED器件測(cè)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(fù)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(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?cè)谝粋€(gè)測(cè)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(cè)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(cè)試系統(tǒng)的模塊圖

最大限度減少LED測(cè)試誤差

LED生產(chǎn)測(cè)試中的常見(jiàn)測(cè)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(cè)試是正向電壓測(cè)試和漏電流測(cè)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(cè)試過(guò)程中漏電流會(huì)增大。因此，在不影響測(cè)量精度或穩(wěn)定性的情況下盡可能縮短測(cè)試時(shí)間是非常重要的。

具有板載測(cè)試腳本引擎的智能儀器能夠簡(jiǎn)化配置測(cè)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(cè)量開(kāi)始前穩(wěn)定下來(lái)。測(cè)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(cè)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(cè)量速度和精度之間進(jìn)行折中。

VF測(cè)試的典型保溫時(shí)間從不到幾百微秒到5毫秒，IL測(cè)試的保溫時(shí)間從5到20毫秒。通過(guò)利用這些極短的測(cè)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(guò)執(zhí)行一系列測(cè)試并只檢驗(yàn)測(cè)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(cè)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(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。