高性能HBLED的測試技術(shù)簡介及應(yīng)用

高亮度LED(HBLED)相比傳統(tǒng)的LED具有高得多的性能，但是同時具有更高的成本。這兩個因素決定了HBLED在研發(fā)和生產(chǎn)階段的測試方式。

測試需求

高亮度發(fā)光二極管(HBLED)憑借其高效率、長壽命和色彩豐富等特性正快速發(fā)展。這些特性使得HBLED廣泛應(yīng)用于諸如建筑照明、汽車照明、醫(yī)療設(shè)備、軍用系統(tǒng)甚至普通照明領(lǐng)域中。隨著HBLED價格進一步的降低、效率不斷的提高，市場對這類器件的需求將會更快的增長，但是這需要更先進的測試方法和儀器。

為了利用HBLED所具備的這些新機會，制造商們正努力尋求現(xiàn)有HBLED設(shè)計增大產(chǎn)量、降低單位成本的方法。在研發(fā)實驗室中，人們正研究采用新的III-V族材料和磷(用于白光)能否使得HBLED具有更低的生產(chǎn)成本和更好的性能。大家重點關(guān)注的指標(biāo)包括更高的效率、更多的色彩、更大的電流密度和光輸出、更好的封裝和更強的冷卻能力。這些目標(biāo)對于用于照明的HBLED器件尤其重要，因為傳統(tǒng)的白熾燈和熒光燈在單位價格方面具有明顯的優(yōu)勢。

從研發(fā)到生產(chǎn)的整個過程中必須進行有效的電氣測量，即使是在排除技術(shù)問題的時候也常常要進行這類測量。當(dāng)某種新技術(shù)被商業(yè)化的時候，精心的生產(chǎn)測試對于優(yōu)化工藝和改善良率非常關(guān)鍵。然而，對于量產(chǎn)的產(chǎn)品而言，快速的自動化測量、同時又能夠在較寬的參數(shù)范圍內(nèi)保持高精度和靈敏度也至關(guān)重要。在測試單個器件(例如利用機械手系統(tǒng)測試芯片或者封裝的部件)和進行多器件并行的晶圓級測試進行上游初選時，必須滿足這些測試需求。

其它測試需求

高亮度發(fā)光二極管(HBLED)最新的發(fā)展使得它的市場需求大大增加了。這類新型LED具有更高的效率、更長的壽命和更多的色彩，使得它們的應(yīng)用范圍不再僅僅局限于指示燈，而是轉(zhuǎn)向更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。當(dāng)前，LED正被應(yīng)用于專業(yè)領(lǐng)域以及汽車發(fā)光、醫(yī)療設(shè)備和軍用系統(tǒng)中。已經(jīng)出現(xiàn)了取代熒光燈和白熾燈用于普通照明的明顯趨勢?；贚ED照明系統(tǒng)的這種應(yīng)用擴展和廣泛實現(xiàn)給制造商們帶來了微薄的機會。這亟需通過介入制造工藝并增大產(chǎn)能來降低這類器件的單位成本，同時要通過持續(xù)的研發(fā)堅持創(chuàng)新，保持技術(shù)上的穩(wěn)固地位。

為了同時實現(xiàn)這些目標(biāo)，這種器件的特征分析就顯得尤為重要。測試工程師必須構(gòu)建出能夠保持研發(fā)測試原始特性的系統(tǒng)，同時增大產(chǎn)能進行有效的生產(chǎn)。隨著新技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用，高精度測試的實現(xiàn)對于優(yōu)化工藝、提高良率非常關(guān)鍵，而自動化測量和處理技術(shù)的實現(xiàn)則有助于增大產(chǎn)能而又不影響高精度和靈敏度。在測試單個器件(例如利用機械手系統(tǒng)測試芯片或者封裝部件)和進行多器件并行的晶圓級測試進行上游初選時，必須滿足這些測試需求。

LED特性確定測試

最簡單的傳統(tǒng)LED都是同構(gòu)結(jié)構(gòu)的，即P和N結(jié)都采用相同類型材料。這種情況下點陣匹配的難度最小，也簡化了工藝，從而降低了成本，但是發(fā)光效率不高。典型的工作條件是在2V正偏電壓下施加20mA的驅(qū)動電流。根據(jù)產(chǎn)品和驅(qū)動電流的范圍，發(fā)光強度可從1到100mcd。一種用于指示燈的LED價格可能是$0.30。

Figure1.DiagramofamultilayerHBLED.

頂層電極/P型接觸層/P型電流分布層N型電流阻塞層/雙異構(gòu)/N型襯底/底層電極

圖1.多層HBLED的結(jié)構(gòu)圖

HBLED采用多種材料制成，具有更復(fù)雜的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)(如圖1所示)。這些混合結(jié)，即異質(zhì)結(jié)，是采用多種III-V族材料(例如AlGaN)構(gòu)成的。這些結(jié)構(gòu)通過電荷的復(fù)合能夠優(yōu)化光子的產(chǎn)生。采用這類結(jié)構(gòu)再結(jié)合更先進的光提取(lightextraction)技術(shù)，HBLED的光強輸出范圍可從幾百到幾千mcd。

要達到這一水平，HBLED可能需要4V以上的正偏電壓和1A的電流。這種高電流源需要在PN結(jié)之間設(shè)置電子阻塞層，以增大輻射復(fù)合率，并減少結(jié)的自熱(I2R)。此外，HBLED的管殼必須能夠散發(fā)更多的熱量，保持LED的結(jié)溫處于合適的大小(一般情況下低于120°C)。要想實現(xiàn)更有效的熱傳輸，管殼可以利用電流分布層以及更可靠的鍵合線技術(shù)來實現(xiàn)。

由于具有這些額外的特性，HBLED的生產(chǎn)過程并不容易。當(dāng)前，由于工藝問題導(dǎo)致點陣匹配不佳，HBLED的生產(chǎn)晶圓有大量的缺陷，必須通過測試來剔除掉。復(fù)雜的封裝以及生產(chǎn)過程中大量昂貴的附加工序大大增加了產(chǎn)品成本。因此，一個用于專業(yè)照明應(yīng)用的頂級HBLED價格可能高達$30。

測試程序

就像上面所暗示的那樣，一種產(chǎn)品的固有應(yīng)用和成本結(jié)構(gòu)是其生產(chǎn)測試方法的決定因素。例如，用于高度審美建筑照明的HBLED可能需要達到甚至超過白熾燈或熒光燈的性能指標(biāo)。同樣，用于汽車照明的HBLED必須通過較寬工作條件下(一般為–30°C到+85°C)嚴(yán)格的光學(xué)和電氣限制。

對于諸如此類的重要應(yīng)用，HBLED通常需要進行100%的晶圓級測試。標(biāo)準(zhǔn)測試內(nèi)容包括一種或多種正偏條件(V和I測量)下的光輸出強度和光譜、特定電壓下的反偏漏流測試以及ESD容限測試。在封裝之后，高達100%的器件可能需要再次進行測試，完成最終的特性分析和分揀操作。這些步驟消耗的總測試時間占據(jù)了生產(chǎn)吞吐時間的很大一部分。由于HBLED應(yīng)用需要所有這些測試，所以增大產(chǎn)能的唯一辦法就是加快測試速度(即縮短測量時間)。

這與傳統(tǒng)LED的測試方法形成了鮮明對比。它們通常是對封裝后的器件進行抽樣測試，抽樣率為1-10%，很少進行晶圓級測試。在這種低抽樣率下就可以進行更多測試，例如除了前面提到的HBLED的測試之外，還可以進行遠(yuǎn)場碼型/光軸測試，但是需要測試的器件總數(shù)仍然較少，測試時間對產(chǎn)能的影響很小。

測試方法學(xué)

HBLED的應(yīng)用和增加的處理過程需要混合的測試方法和測試儀器。大多數(shù)元件測試的主要測量方法是對待測器件(DUT)加載一個電流或電壓源，然后測量它對這一激勵的響應(yīng)。

Figure2.TypicalHBLEDL-Icurve.

規(guī)格化的光通量/正偏電流(mA)

圖2.典型HBLED的L-I曲線

對于HBLED通常進行下列測試：

發(fā)光強度(L)：加載+I，測量L(如圖2所示)

正向電壓(Vf)：加載+I，測量Vf(如圖3所示)

反向擊穿電壓(Vr)：加載-I，測量Vr

反偏漏流(Ir)：加載-V，測量Ir

結(jié)溫(T)：加載I脈沖，測量VT并估算結(jié)溫

ESD——靜電放電損傷/壽命測試：在一段短時間內(nèi)加載一個確定的電壓，然后重新測試DUT上的反偏漏流。

Figure3.AnHBLEDforwardI-Vcurve.

平均正向電流(mA)/Vf=正向電壓(V)

圖3.HBLED的正向I-V曲線

正向電壓、光譜輸出(如圖4所示)、發(fā)光強度和擊穿特性對于器件分揀和正常工作非常重要。我們還需要把這些特性與結(jié)溫(Tj)聯(lián)系起來。如圖5所示。

Figure4.RelativespectralpowerdistributionsforvariousHBLEDcolors.

品藍(lán)色藍(lán)色藍(lán)綠色綠色/相對光譜功率分布/波長(nm)

圖4.各種HBLED色彩的相對光譜功率分布

Figure5.Lightoutputvs.junctiontemperaturederatingcurve.

相對光輸出/藍(lán)色光度/品藍(lán)色光度/藍(lán)綠色光度

白色光度/綠色光度/結(jié)溫TJ(℃)

圖5.光輸出與結(jié)溫關(guān)系的降負(fù)荷曲線

例如，在很多HBLED應(yīng)用中，多個器件同時安裝在一個夾具上并采用并聯(lián)的布線方式，以實現(xiàn)較大面積的照明。汽車尾燈就是采用這種設(shè)計。在這種結(jié)構(gòu)下，確保每個LED的I-V特性相同非常重要。特性差異會引起某些LED產(chǎn)生較大的電流，升高它們的結(jié)溫，從而導(dǎo)致過早的失效。由于單個器件失效而替換整個LED裝置的成本是很高的。通過匹配LED的Vt參數(shù)(即在一定結(jié)溫下測得的電壓)可以盡量避免出現(xiàn)這種情況。這一溫度可以表示為：

Tj=Ta+DTj,

其中Tj(.

測試儀器

無論是在研發(fā)實驗室還是在生產(chǎn)環(huán)境下，高精度的光譜分析儀(OSA)和單直流源測量單元(SMU)都可以用于對新型的HBLED設(shè)計進行特征分析(如圖6所示)。在生產(chǎn)過程中對傳統(tǒng)LED進行特征分析時，通常使用比較便宜的實驗室儀器和自研的測試系統(tǒng)，因為其所需的精度較低，測試速度較慢。這類設(shè)備包括比較便宜的電源、用于電氣測量的DMM和低價位的分光計，所有的儀器通過GPIB連接在一起。

Figure6.SingleLEDlaboratorytestsystem.

輸出HI檢測HI/電流源2400系列數(shù)字源表/輸出LO檢測LO

圖6.單LED的實驗室測試系統(tǒng)

HBLED特征分析的新需求大大改變了對測試儀器的要求。由于具有高精度和高速度的特點，SMU已經(jīng)成為HBLED特征分析的一種標(biāo)準(zhǔn)儀器。除了速度和精度上的優(yōu)勢之外，SMU的其它特性也非常適合于進行正向電壓(Vf)、反向擊穿電壓(Vr)和反偏漏流(Ir)測試。SMU能夠提供四象限電流和電壓源，這有助于實現(xiàn)I-V測試和光強度測量。

當(dāng)HBLED的設(shè)計轉(zhuǎn)向生產(chǎn)時，對高速測試的需求也增大了。某種情況下，對單個器件的測試很難更快了，那么為了增大產(chǎn)能，并行器件測試就變成了一個重要的選擇。此外，對于器件和量產(chǎn)之間的有效性對比，測量必須是高度可重復(fù)的。

Figure7.Keithleymulti-channelHBLEDwafertestsystem.

提供電流源測量電壓/提供電流源測量電壓/提供電流源測量電壓

提供電流源測量電壓/LED晶圓/探針臺/以太網(wǎng)

圖7.吉時利多通道HBLED晶圓測試系統(tǒng)

為了滿足這些需求，多臺SMU可以通過外部觸發(fā)線連接在一起。另外一種辦法就是采用集成式高精度、高速度多通道SMU系統(tǒng)。如圖7所示。這些精密測量系統(tǒng)是針對高產(chǎn)能的需求而設(shè)計的，可靠性足以適應(yīng)生產(chǎn)環(huán)境，并且具有提高測試效率的控制功能。

除了探針儀之外，圖7中所介紹的儀器完全包含在底板采用機架式安裝的一套機箱中。該系統(tǒng)具有實時并行測試和“線路輸出”功能(連接晶圓探針儀的一種線纜接口)，這里采用了一種快速以太網(wǎng)連接。這種系統(tǒng)支持精確、高速和完全并行的多DUT測試，這正是高效HBLED生產(chǎn)所需要的。由于數(shù)據(jù)通信是通過PCI底板或以太網(wǎng)鏈路進行的，從而消除了GPIB通信導(dǎo)致的產(chǎn)能下降問題。

該系統(tǒng)的設(shè)計支持在探針卡上集成聚光元件，從而可以對晶圓進行并行的光學(xué)測試和電氣特征分析。測試儀的PCI底板能夠容納多達9塊SMU卡，每一塊都能夠同時對4個HBLED進行電氣測試，測試的直流電平最高可達10V電流可達1A。這相當(dāng)于在一個機箱中緊密集成了36個測試儀。(能夠同時接觸到的實際器件數(shù)取決于管芯的間距和導(dǎo)電pad的排列方式。)另外，每塊SMU卡上的四個電流源可以并聯(lián)起來，以最高4A的電流同時測試9個HBLED。

如果需要，該系統(tǒng)可以通過分光計PCI卡接口實現(xiàn)OSA測量。在這種功能下，常用的測試順序如下：

1.探針儀將一塊晶圓移動到位，使探針下壓接觸多個獨立的HBLED管芯。

2.測試儀對各個管芯同時加載正向電流，采用5種不同的電流值。然后測試儀同時測出各個管芯上的正向電壓降。

3.測試儀對各個管芯同時加載反向電壓。然后測試儀同時測出每個管芯的漏流。

4.記錄數(shù)據(jù)。

5.探針儀轉(zhuǎn)向晶圓的下一個位置。

6.重復(fù)上述步驟1-5直至測試完整個晶圓(或者設(shè)定的采樣尺寸)。

可以采用直流測量代替某些直接的光學(xué)測量。例如，可以采用光電探測器(PD)測量光強度。通過PD的光電流大小與照射在它上面的光的多少成正比。通過將HBLED發(fā)出的光定向到PD上并測出相應(yīng)的漏電流，就可以計算出光強度。采用這種方法測量光強度可以利用高速直流測試儀完成大部分的測試工作。

其它一些儀器問題

上面所討論的精度、可重復(fù)性和測試產(chǎn)能問題是在選擇測試設(shè)備時要考慮的基本問題。一般認(rèn)為，速度和精度之間總是存在一定的折衷，但有時候這些變化因素的綜合影響很難分析清楚。精度和可重復(fù)性應(yīng)該足夠高，以避免良率問題(即通過了壞的元件或者淘汰了好的元件)。因此，測量速度應(yīng)該是可編程的，以便在產(chǎn)能和良率二者之間進行優(yōu)化。這可以通過可編程的SMU信號集成周期來實現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)這一周期可以實現(xiàn)最佳的測量間隙和噪聲抑制組合。

但是，我們無法獲得系統(tǒng)原本就不支持的性能。測試儀在設(shè)計時要圍繞低噪聲、高電流直流電源和分布式系統(tǒng)來考慮，這樣才可能實現(xiàn)精確的高速源和測量功能。這種設(shè)計應(yīng)該結(jié)合精確的驅(qū)動電流控制、快速的穩(wěn)定時間和高分辨率等因素來實現(xiàn)其功能。

測試儀器的架構(gòu)和控制方式也對測試產(chǎn)能和其它一些系統(tǒng)性能參數(shù)有很大影響。觸發(fā)式總線能夠簡化卡之間的硬件同步。機箱控制器PC應(yīng)該兼容業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的測試開發(fā)和執(zhí)行環(huán)境。固件應(yīng)該對系統(tǒng)集成人員屏蔽嵌入式控制器編程的細(xì)節(jié)，使得他們不必學(xué)習(xí)新的語言或者程序。

例如，SMU卡的驅(qū)動軟件應(yīng)該允許測試工程師在測試儀機箱中合并多種生產(chǎn)測試單元控制功能。這樣不但能夠降低系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且能夠加快測試程序開發(fā)和執(zhí)行的速度。類似的，測試儀還應(yīng)該易于和其它測試儀器進行互連，就像這個例子中，一塊PCI底板能夠兼容各種第三方廠商的卡。

除了提高性能以及使測試系統(tǒng)的操作更加友好之外，這樣的特性還有助于縮小系統(tǒng)的總體尺寸，這對于面積緊張的工廠而言是需要考慮的重要因素。此外，在動態(tài)的市場環(huán)境下，開放式架構(gòu)和模塊化設(shè)計還能夠使系統(tǒng)快速適應(yīng)生產(chǎn)線的變化和不斷出現(xiàn)的測試需求。所有這些都有利于減少投資、系統(tǒng)集成和操作的費用，從而降低測試成本，提高產(chǎn)品良率。