高亮度LED測(cè)試測(cè)試類(lèi)型

正向電壓測(cè)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(lái)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(cè)量電阻、電阻率、遷移率和電導(dǎo)率的計(jì)測(cè)手段。這常常需要對(duì)極低的電流[7]和電壓進(jìn)行測(cè)量。對(duì)于那些力圖開(kāi)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(cè)量的能力顯得極為重要。

光學(xué)測(cè)試

光學(xué)測(cè)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(lái)捕捉發(fā)射的光子，從而可以測(cè)量光功率。可以將發(fā)光變換為一個(gè)電流，并用電流計(jì)或者一個(gè)信號(hào)源－測(cè)量單元的單個(gè)通道來(lái)測(cè)量該電流。

反向擊穿電壓測(cè)試

對(duì)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(cè)試。該測(cè)試電流的設(shè)置應(yīng)當(dāng)使所測(cè)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(cè)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(cè)量HBLED兩端的電壓降。其結(jié)果一般為數(shù)十伏特。

漏電流測(cè)試

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

雖然一個(gè)完整的測(cè)試程序可以包括數(shù)百個(gè)點(diǎn)，但對(duì)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(cè)試需要以一個(gè)已知的電流信號(hào)源驅(qū)動(dòng)器件并相應(yīng)測(cè)量其電壓，或者反過(guò)來(lái)。同時(shí)具備了可同步動(dòng)作的信號(hào)源和測(cè)量功能可以加速系統(tǒng)的設(shè)置并提升吞吐率。測(cè)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(jí)的測(cè)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(cè)試點(diǎn)（未按比例繪出）

免費(fèi)領(lǐng)取《克服高亮度LED特性分析與測(cè)試挑戰(zhàn)》CD[4]

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(zhǎng)壽命等優(yōu)勢(shì)。制造商們正在開(kāi)發(fā)能夠?qū)崿F(xiàn)光通量更高、壽命更長(zhǎng)、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(cè)試。

過(guò)去，HBLED的生產(chǎn)測(cè)試的所有環(huán)節(jié)都由單臺(tái)PC來(lái)控制。換而言之，在測(cè)試程序的每個(gè)要素中，必須針對(duì)每次測(cè)試配置信號(hào)源和測(cè)量裝置，并在執(zhí)行預(yù)期的行動(dòng)后，將書(shū)記返回給PC。控制PC根據(jù)通過(guò)/不通過(guò)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)估，并決定DUT應(yīng)歸入哪一類(lèi)。PC發(fā)送指令和結(jié)果返回PC的過(guò)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(hào)源/測(cè)量?jī)x（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(cè)試吞吐率。測(cè)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(cè)試步驟的測(cè)試程序引擎，內(nèi)置通過(guò)/不通過(guò)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(cè)試程序存放到存儲(chǔ)器中，并根據(jù)用戶需要來(lái)執(zhí)行該程序，從而減少了測(cè)試程序中每個(gè)步驟的建立和配置時(shí)間。

單器件的LED測(cè)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(cè)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(cè)量的光電探測(cè)器（PD）[13]。需要使用兩個(gè)SMU：SMU#1向HBLED提供測(cè)試信號(hào)，并測(cè)量其電響應(yīng)；SMU#2則在光學(xué)測(cè)量過(guò)程中檢測(cè)光電探測(cè)器。

測(cè)試程序可以被編程設(shè)定為，在一根來(lái)自于元器件操控器的數(shù)字信號(hào)線[作為“測(cè)試啟動(dòng)”（SOT）[14]]控制下啟動(dòng)。當(dāng)儀器探測(cè)到該信號(hào)時(shí)，測(cè)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(hào)線發(fā)出“測(cè)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(guò)/不通過(guò)操縱并通過(guò)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(guò)/不通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)對(duì)HBLED進(jìn)行分類(lèi)。于是可以通過(guò)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(cè)試夾具上。

多個(gè)HBLED器件的測(cè)試

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

結(jié)的自加熱[16]是HBLED生產(chǎn)測(cè)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(cè)試時(shí)間就極為重要。智能測(cè)試儀器可以簡(jiǎn)化對(duì)器件的配置，并縮短其上升時(shí)間（該時(shí)間是指測(cè)試開(kāi)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(hào)的時(shí)間長(zhǎng)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(cè)量速度可以進(jìn)一步縮短總的測(cè)試時(shí)間。

脈沖測(cè)量技術(shù)的使用可以最大限度縮短測(cè)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(duì)器件施加功率的時(shí)間長(zhǎng)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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LED結(jié)溫測(cè)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(guó)際通用的結(jié)溫測(cè)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(cè)試。然而在我們的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中偶然發(fā)現(xiàn)電學(xué)參數(shù)法的結(jié)溫測(cè)試結(jié)果（36.8℃）比熱電偶、拉曼光譜法的測(cè)試結(jié)果（76.5℃）偏低約40℃，相對(duì)差距超過(guò)200%（以350mA下的1W藍(lán)光LED為例），紅光、綠光LED樣品的測(cè)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(cè)試是目前LED檢測(cè)領(lǐng)域亟需解決的最新前沿和關(guān)鍵問(wèn)題之一。本課題擬開(kāi)展如下研究：(1) 從理論和實(shí)驗(yàn)兩方面來(lái)研究電學(xué)參數(shù)法測(cè)試結(jié)溫不準(zhǔn)確的核心因素；(2) 針對(duì)電學(xué)參數(shù)法存在的問(wèn)題，提出相應(yīng)的解決方法或者縮小測(cè)試差異的措施；(3) 設(shè)計(jì)熱穩(wěn)態(tài)下的結(jié)溫測(cè)試新技術(shù)，優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)，發(fā)展和完善結(jié)溫測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)；(4) 將所建立的結(jié)溫測(cè)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(cè)試手段，深入研究了電學(xué)參數(shù)法測(cè)試LED結(jié)溫存在的問(wèn)題并提出了新的結(jié)溫測(cè)試方法。項(xiàng)目基本達(dá)到了預(yù)期目的，對(duì)以下三個(gè)科學(xué)問(wèn)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(cè)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(guò)程中；針對(duì)電學(xué)參數(shù)法存在的問(wèn)題，我們提出在瞬態(tài)散熱過(guò)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(cè)試法造成的絕對(duì)結(jié)溫測(cè)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(cè)試新方法，測(cè)試結(jié)果與拉曼光譜法的測(cè)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(cè)量交流LED結(jié)溫的新方法，與熱電偶測(cè)得的數(shù)據(jù)相比，該方法準(zhǔn)確率較高，且測(cè)得的熱阻具有穩(wěn)定性。