高亮度LED高速测试方案 美国吉时利仪器公司可见光发光二极管(LED)凭借其高效率和长寿命的特点正逐渐应用于越来越多的领域，包括车载显示器和外部灯具、电视和视频监视器的背光、街灯、户外标识和室内照明等LED厂商对这类器件开展了全面的研发工作，使得制造出的LED具有更高的光通量、更长的寿命、更高的色度和每瓦流明数，从而促使LED的应用范围不断扩大为了确保这些器件的可靠性和质量，采用精确而高性价比的测试十分关键LED测试涉及各个阶段不同类型的测试序列，例如设计研发过程的测试、生产过程中的晶圆级测试、封装器件的终测等本文旨在提供一些基本信息用以说明如何探测二极管的特图1典型LED的直流I-V曲线和测试点征和一些基本测试，此外，还简要介绍了如何利用最新的测试技术提高测试产能并降低测试成本测试介绍LED的测试通常包括电气测试和光学测试两部分本文重点介绍LED的电气特征分析，其中包括适当的光学测量技术图1给出了典型二极管的电气I-V特征曲线完整的测试可能需要测量多个电压值与电流工作点的关系，但是通常有限的若干样本点也足以得到这样的特征曲线某些测试需要提供已知的电流并测量电压，而另外一些测试需要提供电压并测量产生的电流。
数字源表是这类测试的理想选择，因为它通过配置可以提供电压或电流，还可以测量每类信号正向电压测试(VF)和光学测试VF测试验证的是可见光LED的正向工作电压当把一个正向电流加载到二极管上时，它开始导通在开始电流值较低时，二极管上的电压降快速增大，随着激励电流的增加，电压上升的斜率开始变平二极管通常工作在电压相对稳定的这一区域正向电压测试(V，)是提供一个已知的电流并测量二极管上产生的电压降典型的测试电流范围从几十毫安到几安培，而产生的电压大小通常为几伏由于正向电压与LED的色度直接相关，因此制造商通常根据这类测试的结果进行器件分拣施加正向偏置电流还用于光学测试，因为其中的电流与发光的大小密切相关在测量光功率时，可以在待测器件附近放置一个光电二极管或累计球捕捉发出的光子然后将光转换为电流，就可以利用安培计或者数字源表的一个通道进行测量了在很多测试应用中，利用固定的源电流大小可以同时测出二极管的电压和输出光的大小此外，利用同样的激励电流值和分光计还可以获得光谱输出等细节信息反向击穿电压(VR)和漏电流(IL)测试向LED上加载负偏电流可以测出所谓的反向击穿电压VR，测试电流应该设置为当电流稍微增大时所测得的电压值不再明显变化的位置。
当电压高于这一值时，大幅增加反偏电流使得反向电压变化不大这一参数指标通常是一个最小值在测试时要在一段特定时间内提供一个较小的反偏电流，然后测量LED上的电压降测量的结果通常为几十伏量级一般而言，我们采用中等电压（几伏到几十伏）测量漏电流，漏电流测量的是当加载低于击穿电压的反向电压时，LED上泄漏的小电流确保器件生产过程中不超过某个阈值是漏电流测量的惯用方法，隔离测量更加常用，其中有两个原因：第一，低电流测量需要较长的稳定时间，因此测试需要较长的时间才能完成第二，环境干扰和电噪声对低值信号具有较大的影响，因此在屏蔽方面需要特别小心这种特殊的屏蔽会增大测试夹具的复杂性，可能会干扰自动机械手的操作测试系统介绍单LED测试系统图2给出了一种LED测试台的简化模块图为了实现自动测试，其中包含一台PC和一个组件机械手，用于晶圆级测量的探测台在这个系统中，PC机的主要作用是将测量数据保存在数据库中用于归档，其次是为不同的组件重新配置测试序列2600A系列仪器的一个独特之处就是其相对PC控制器的独立性，其内置的测试脚本处理器支持用户编写在仪器自身上运行的完整测试规划换句话说，用户可以编写完整的PASS/FAIL测试序列脚本，无需仪器重编程即可通过2602A的面板执行脚本。
另外一种面向生产的情形稍微有些不同在生产过程中，可能有机械手将各个LED传送到测试夹具上，在那里进行电气接触夹具对环境光线进行了屏蔽，并且内置光电探测器(PD)进行光测量在这个配置中，2602型双通道数字源表可以实现两种连接功能源测量单元A (SMUA)用于向LED提供测试信号并测量其电响应参数，而SMUB可用于在光测量过程中监测光电二极管在编制测试序列时，可以采用组件机械手的一条数字线作为“测试开始” (SOT)信号当数字源表检测到该SOT信号后，对LED进行特征分析的测试就开始了在完成所有的电气和光学测试之后，将一条表示“测量完成”的数字线置位，传给组件机械手此外，2602本身的智能特点可以实现所有的PAS S/FAIL操作，通过2602上的数字I/O端口向组件机械手发送数字命令，根据PASS／FAIL判断结果对LED进行分拣然后，通常会同时发生两个操作：数据传输给PC进行统计过程控制(SPC)以及向测试夹具中机械放置一个新的DUT多器件／阵列的LED测试系统除了单器件测试，还存在多个器件测试的情形，例如涉及老化工艺的测试在这些测试中，要在一段特定的时间内对多个部件进行测量通常采用一个连续的电流驱动DUT，但是多个光检波器可以采用多路复用的方式通过开关系统连接一个电流表。
开关系统与电表的正确选择取决于所关心电流的动态范围吉时利提供了多种适合多LED测试的开关选件例如，3706型系统开关／万用表具有6个插槽，能够支持高达576个复用通道或者2688个矩阵交叉点，支持TSP功能，是2600A系列数字源表的理想伴侣通过TSP-link．可以快速而方便地实现3706和2600A系列数字源表的集成这种集成可以实现两种仪器之间操作的紧密同步，能够在单个测试脚本的控制下工作，从而最大限度提高了速度并简化了系统结构对于少量LED的测试，可以采用多个2600系列数字源表图3给出了采用一个PD通道的三LED器件测试系统结构追求速度的编程测试对于由PC机控制的多仪器测试，在测试序列的每个组件中，必须针对每个测试对仪器进行配置，执行所需的操作，然后将数据返回给控制PC（如图4所示），控制PC进行pass/fail判断并执行相应的操作每条命令的发送和执行都会耗费宝贵的生产时间，降低产能显然，测试序列花费的时间有很大一部分是用于与PC之间的信息通信2600A系列具有一种独特的功能，能够通过减少通信总线上的通信流量，大大提高复杂测试序列的测试产能在这类仪器中，测试序列的主体部分嵌入在仪器中，测试脚本处理器(TSP)是一个全能的测试序列引擎，能够根据内置的pass/fail判据、数学公式、计算和对数字I/O的控制，有效控制测试序列。
TSP可以将用户自定义的测试序列保存在存储器中并通过命令执行它们这种方式限制了测试序列中每一步的设置与配置时间，通过减少仪器与PC之间的通信量提高了测试产能常见误差源结自热随着测试时间的延长，LED的半导体结往往会发热对结发热最敏感的两种测试是正向电压测试和漏电流测试当结发热时，电压会下降，更重要的是，在稳压测试过程中漏电流会增大因此，在不降低测量精度或稳定性的情况下尽量缩短测试时间是很重要的2600A系列数字源表可以在测量之前配置器件的浸透时间(soak time)以及获取输入信号的时向浸透时间使得电路电容能够在测量开始前稳定下来测量积分时间取决于电源线性周期数如果输入电源频率为60Hz，那么INPLC测量将需要1/60秒，即16.667毫秒积分时间决定了模数转换器获取输入信号的时间，它体现了速度和精度二者之间的折衷VF测试的典型浸透时间从不到几百微秒到5毫秒不等，IL测试为5毫秒～20毫秒利用这些较短的测试时间，可以减少由于结发热导致的误差此外，通过进行一系列测试并只改变测试时间可以确定结发热的特性为了进一步缩短测试时间从而减少结自热，2600A系列数字源表还支持脉冲操作在这一模式下，它们能够在指定的时间宽度内提供精确的输出源信号。
1微秒的脉宽分辨率可以使我们精确控制器件的加电时间，500纳秒的脉宽精度确保了测量是可重复的脉冲工作模式还使得2600A系列数字源表能够输出超过仪器直流功能的电流大小，例如2602A能够在6伏下输出3安直流电；在脉冲模式下，它能够输出20伏10安的电流引线电阻常见的一种电压测量误差来自于仪器到LED测试引线中的串联电阻当采用二线连接方式时，这种串联电阻就会增加到测量结果中当连接线较长并且采用高电流时，引线电阻的影响就特别有害，因为引线电阻上产生的电压降相比所测的电压就很大了图5描述了将引线电阻作为“集总”组件的情形灰色的圆角矩形框标出了电流流向，它基本上不受高阻抗电压表的影响要解决这个问题，最好采用四线远程检测方法而不是二线连接方法采用四线连接方法时（如图6所示），电流经由Output Hl/LO测试引线流过LED，利用Sense HI/LO引线测量LED上的电压这样，测得的就只是LED上的电压降了漏电流在测量极低的电流，例如漏电流时，线缆和夹具中的杂散漏流也是一种误差源为尽量减少这种问题的影响，应该采用高电阻材料制作测试夹具另外一种减少漏电流的方法是采用数字源表内置的保护电路这种保护电路是电路中的一个低阻抗点，它与待保护的高阻抗点几乎具有相同的电位。
图7中的例子很好地说明了这一原理在这个例子中，待测的LED安装在两个绝缘支架上，该电路中使用的保护电路能够确保所有的电流都流过二极管，不会流过支架一般而言，当提供的电流源或测量的电流小于1μA时都应该采取保护措施将仪器的Guard端与金属板相连可以保护这种电路这样就使得DUT绝缘支架的底部与顶部几乎具有相同的电位由于绝缘体的两端几乎具有相同的电位，因此其中没有明显的电流流过所有的电流都像我们希望的那样流过LED了提示：Guard端与Output HI端具有相同的电位，如果Output HI存在危险电压，那么Guard端1上也存在这一危险电压静电干扰当把一个带电的物体靠近另一个不带电的物体时，高电阻测量容易受到静电干扰的影响要想减少静电场的影响，可以采用一个屏蔽罩将待测电路包围起来，如图7B所示，一个接地的金属屏蔽罩围绕着待测LED数字源表的Output LO端必须与金属屏蔽罩相连，以防止由于共模干扰和其它干扰造成的噪声采用这类屏蔽罩还有助于防止操作人员接触支架金属板，因为金属板也处在保护电位上光干扰LED的测试需要检测LED发光的大小和强度，因此应该使测试夹具避光一般地，我们可以将测试夹具的内部喷成黑色，以减少夹具内部的光线反射。
设备列表配置图2中的系统需要下列设备：2602A型数字源表；带以太网口和网线的PC机；带校准光电探测器的避光外壳；用于连接数字源表25针公D型头与组件机械手的定制数字I/O线；用于连接测试设备与DUT和光电探测器的定制线束配置图3中的系统还另外需要一台2602A和一条TSP-link线测试系统的安全性很多电子测试系统或仪器能够测量或提供危险的电压或功率此外，在单故障情况下（例如编程错误或者仪器失效），即使系统显示不存在危险也可能会输出危险电压对于这些高电压和高功率，很有必要始终保护操作人员避免这些危险，具体保护方法包括：设计测试夹具防止操作人员接触任何危险电路；确保待测器件完全密封以保护操作人员遭受飞出碎片的伤害例如，电容和半导体器件在电压过高的情况下会发生爆炸；对操作人员可能接触到的所有电气连接进行双层绝缘双层绝缘能够确保即使一层绝缘失效仍然能够保护操作人员；当测试夹具外壳打开时，采用高可靠、失效保护式互锁开关断开电源；尽量采用自动化的机械手，这样操作人员就不必接触测试夹具的内部或者打开保护装置；对所有系统用户进行探测器操作培训，使得他们明白所。