高亮度LED測試

過去，HBLED的生產(chǎn)測試的所有環(huán)節(jié)都由單臺PC來控制。換而言之，在測試程序的每個(gè)要素中，必須針對每次測試配置信號源和測量裝置，并在執(zhí)行預(yù)期的行動(dòng)后，將書記返回給PC。控制PC根據(jù)通過/不通過的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評估，并決定DUT應(yīng)歸入哪一類。PC發(fā)送指令和結(jié)果返回PC的過程將耗費(fèi)大量的時(shí)間。

最新一代的智能儀器，包括吉時(shí)利公司最新的大功率2651A[11]系統(tǒng)信號源/測量儀（SourceMeter），由于可以最大限度減少通信的流量，從而可以大幅度提升測試吞吐率。測試程序的主體嵌入到儀器中的一個(gè)Test Script處理器[12]（TSP?）中，該處理器是一個(gè)用于控制測試步驟的測試程序引擎，內(nèi)置通過/不通過標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)算和數(shù)字I/O的控制。一個(gè)TSP可以將用戶定義的測試程序存放到存儲器中，并根據(jù)用戶需要來執(zhí)行該程序，從而減少了測試程序中每個(gè)步驟的建立和配置時(shí)間。

單器件的LED測試系統(tǒng)

元器件操控器將單個(gè)HBLED（或者一組HBLED）運(yùn)送到一個(gè)測試夾具上，夾具可以屏蔽環(huán)境光，且內(nèi)帶一個(gè)用于光測量的光電探測器（PD）[13]。需要使用兩個(gè)SMU：SMU#1向HBLED提供測試信號，并測量其電響應(yīng)；SMU#2則在光學(xué)測量過程中檢測光電探測器。

測試程序可以被編程設(shè)定為，在一根來自于元器件操控器的數(shù)字信號線[作為“測試啟動(dòng)”（SOT）[14]]控制下啟動(dòng)。當(dāng)儀器探測到該信號時(shí)，測試程序啟動(dòng)。一旦執(zhí)行完畢，則讓元器件操縱器的一條數(shù)字信號線發(fā)出“測試完畢”的標(biāo)志。此外，儀器的內(nèi)建智能可以執(zhí)行所有的通過/不通過操縱并通過儀器的數(shù)字I/O端口發(fā)送數(shù)字指令至元器件操縱器，以便讓HBLED能根據(jù)通過/不通過標(biāo)準(zhǔn)來對HBLED進(jìn)行分類。于是可以通過編程讓兩個(gè)動(dòng)作同時(shí)執(zhí)行：數(shù)據(jù)傳送至PC進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，而同時(shí)一個(gè)新的DUT[15]運(yùn)送到測試夾具上。

高亮發(fā)光二極管（High brightness light emitting diodes，HBLED[1]）綜合具備了高輸出、高效率和長壽命等優(yōu)勢。制造商們正在開發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)光通量更高、壽命更長、色彩更豐富而且單位功率發(fā)光度更高的器件。要確保其性能和可靠性，就必須在生產(chǎn)的每個(gè)階段實(shí)施精確的、成本經(jīng)濟(jì)的測試。

正向電壓測試

要理解新的結(jié)構(gòu)單元材料，如石墨烯、碳納米管[5]、硅納米線[6]或者量子點(diǎn)，在未來的電子器件中是如何發(fā)揮其功效的，就必須采用那些能在很寬范圍上測量電阻、電阻率、遷移率和電導(dǎo)率的計(jì)測手段。這常常需要對極低的電流[7]和電壓進(jìn)行測量。對于那些力圖開發(fā)這些下一代材料并使之商業(yè)化的工程師而言，在納米尺度上進(jìn)行精確的、可重復(fù)的測量的能力顯得極為重要。

光學(xué)測試

光學(xué)測量中也需要使用正向電流偏置[8]，因?yàn)殡娏髋cHBLED的發(fā)光量密切相關(guān)?？梢杂霉怆姸O管或者積分球來捕捉發(fā)射的光子，從而可以測量光功率?？梢詫l(fā)光變換為一個(gè)電流，并用電流計(jì)或者一個(gè)信號源－測量單元的單個(gè)通道來測量該電流。

反向擊穿電壓測試

對HBLED施加的反向偏置電流可以實(shí)現(xiàn)反向擊穿電壓[9]（VR）的測試。該測試電流的設(shè)置應(yīng)當(dāng)使所測得的電壓值不再隨著電流的輕微增加而顯著上升。在更高的電壓下，反向偏置電流的大幅增加所造成的反向電壓的變化并不顯著。VR的測試方法是，在一段特定時(shí)間內(nèi)輸出低反向偏置電流，然后測量HBLED兩端的電壓降。其結(jié)果一般為數(shù)十伏特。

漏電流測試

當(dāng)施加一個(gè)低于擊穿電壓的反向電壓時(shí)，對HBLED兩端的漏電流[10]（IL）的測量一般使用中等的電壓值。在生產(chǎn)測試中，常見的做法是僅確保漏電流不不至于超過一個(gè)特定的閾值。

多個(gè)HBLED器件的測試

老煉（burn-in）等應(yīng)用需要對多個(gè)器件同時(shí)進(jìn)行測量。

結(jié)的自加熱[16]是HBLED生產(chǎn)測試中最主要的誤差源之一。隨著結(jié)溫不斷升高，電壓降，或者更重要的是，漏電流，也隨之上升，因此如何最大限度縮短測試時(shí)間就極為重要。智能測試儀器可以簡化對器件的配置，并縮短其上升時(shí)間（該時(shí)間是指測試開始前任何電路電容實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的時(shí)間）以及積分時(shí)間（該量決定了A－D轉(zhuǎn)換器[17]采集輸入信號的時(shí)間長短）。新型的SMU儀器[18]，例如吉時(shí)利2651A，具有A－D轉(zhuǎn)換器，這些器件的采樣速度高達(dá)?s/點(diǎn)，比高性能的積分式A－D轉(zhuǎn)換器快50倍。于是，更快的測量速度可以進(jìn)一步縮短總的測試時(shí)間。

脈沖測量技術(shù)的使用可以最大限度縮短測試時(shí)間和結(jié)的自加熱現(xiàn)象。當(dāng)前具備高脈沖寬度分辨率的SMU可以精確地控制對器件施加功率的時(shí)間長短。脈沖化的工作也可以讓這些儀器的輸出電流遠(yuǎn)超出其DC輸出能力。

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雖然一個(gè)完整的測試程序可以包括數(shù)百個(gè)點(diǎn)，但對一個(gè)有限的樣本的探查一般就足以提供優(yōu)值。許多HBLED測試需要以一個(gè)已知的電流信號源驅(qū)動(dòng)器件并相應(yīng)測量其電壓，或者反過來。同時(shí)具備了可同步動(dòng)作的信號源和測量功能可以加速系統(tǒng)的設(shè)置并提升吞吐率。測試可以在管芯層次（圓片和封裝）或者模塊/子組件水平上進(jìn)行。在模塊/子組件水平上，HBLED[2]可以采取串聯(lián)和/或并聯(lián)方式；于是一般需要使用更高的電流，有時(shí)達(dá)50A或者更高，具體則取決于實(shí)際應(yīng)用。有些管芯級的測試所用的電流在5～10A的范圍內(nèi)，具體取決于管芯的尺寸。圖1示出了典型的二極管的電I－V特性曲線[3]。

圖1. 典型的HBLED DC I－V曲線和測試點(diǎn)（未按比例繪出）

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LED結(jié)溫測試的研究是分析LED熱學(xué)特性、優(yōu)化熱沉結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及提高LED散熱能力的基礎(chǔ)。目前國際通用的結(jié)溫測試方法是電學(xué)參數(shù)法，可實(shí)現(xiàn)大功率LED的結(jié)溫?zé)嶙铚y試。然而在我們的實(shí)驗(yàn)過程中偶然發(fā)現(xiàn)電學(xué)參數(shù)法的結(jié)溫測試結(jié)果（36.8℃）比熱電偶、拉曼光譜法的測試結(jié)果（76.5℃）偏低約40℃，相對差距超過200%（以350mA下的1W藍(lán)光LED為例），紅光、綠光LED樣品的測試結(jié)果均有不同程度的差異。如何快速準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)LED結(jié)溫測試是目前LED檢測領(lǐng)域亟需解決的最新前沿和關(guān)鍵問題之一。本課題擬開展如下研究：(1) 從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面來研究電學(xué)參數(shù)法測試結(jié)溫不準(zhǔn)確的核心因素；(2) 針對電學(xué)參數(shù)法存在的問題，提出相應(yīng)的解決方法或者縮小測試差異的措施；(3) 設(shè)計(jì)熱穩(wěn)態(tài)下的結(jié)溫測試新技術(shù)，優(yōu)化測試系統(tǒng)，發(fā)展和完善結(jié)溫測試標(biāo)準(zhǔn)；(4) 將所建立的結(jié)溫測試系統(tǒng)應(yīng)用于交流LED、高壓LED等。

本項(xiàng)目以電學(xué)參數(shù)法、拉曼光譜法、熱電偶和熱像儀為測試手段，深入研究了電學(xué)參數(shù)法測試LED結(jié)溫存在的問題并提出了新的結(jié)溫測試方法。項(xiàng)目基本達(dá)到了預(yù)期目的，對以下三個(gè)科學(xué)問題做了系統(tǒng)性研究和解釋: (1) 從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面研究發(fā)現(xiàn)電學(xué)參數(shù)法測試結(jié)溫不準(zhǔn)確的核心因素在于將熱穩(wěn)態(tài)中LED電壓和結(jié)溫之間的線性關(guān)系直接應(yīng)用到瞬態(tài)過程中；針對電學(xué)參數(shù)法存在的問題，我們提出在瞬態(tài)散熱過程中以理論計(jì)算獲得初始100毫秒的結(jié)溫差，以此縮小電學(xué)測試法造成的絕對結(jié)溫測試差異；同時(shí)提出了一種新的基于穩(wěn)態(tài)的LED結(jié)溫測試新方法，測試結(jié)果與拉曼光譜法的測試結(jié)果相差±1℃；(2) 深入研究分析了LED光源可達(dá)到的最大發(fā)光效率，給出了詳細(xì)的理論計(jì)算模型，以及在達(dá)到最大發(fā)光效率時(shí)LED的最低結(jié)溫分布； (3) 研究了測量交流LED結(jié)溫的新方法，與熱電偶測得的數(shù)據(jù)相比，該方法準(zhǔn)確率較高，且測得的熱阻具有穩(wěn)定性。