可見光二極管（led）憑借其長壽命和高可靠性的特點，正獲得越來越廣泛的應用。LED目前已經(jīng)用在了汽車、街燈、戶外標識等方面。此外，隨著新的顏色和新的關(guān)鍵應用的開發(fā)，采用高性價比的測試方法以確保LED可靠性的需求不斷增大。隨著高亮度和有機LED技術(shù)的出現(xiàn)，對測試設(shè)備的測量性能與產(chǎn)能的要求也越來越高。

　　LED發(fā)光是帶電粒子在半導體能隙之間躍遷的結(jié)果。能隙的大小決定了發(fā)光的波長。LED的發(fā)展已經(jīng)產(chǎn)生了表面和邊緣發(fā)光技術(shù)，改變波長和功率特性等性能指標。

　　本文介紹了有關(guān)構(gòu)建用于檢驗單個和多個（陣列）LED器件的生產(chǎn)測試系統(tǒng)解決方案的方法和問題。

　　測試介紹

　　高性能LED通常要進行5種測試。其中包括直流頻譜上的三種測試（正向電壓、反向擊穿和漏電流測試）以及光譜上的兩種測試（光照強度和波長檢驗）。在生產(chǎn)環(huán)境下，通常只有直流測試涉及測試產(chǎn)能的問題。光學測試雖然很有用，但是通常較慢，一般保留用于工程或質(zhì)量控制實驗。下面詳細介紹各種測試和測試需求。

　　直流測試

　　圖1給出了本文介紹的三種直流測試的測試點。

圖1：典型的LED直流I-V曲線和測試點

 　正向電壓測試（VF）

　　VF測試檢驗可見光LED的正向工作電壓。超過這一工作電壓，電路電流的大幅增長將導致正向電壓明顯升高，如圖1所示。在一段特定的時間內(nèi)（例如1ms）在LED上加載特定的正向偏置電流（例如10mA），測量LED兩端的電壓降。測量的結(jié)果通常為幾百毫伏的量級。

　　反向擊穿電壓測試（VR）

　　VR測試檢驗LED的反向擊穿電壓，與二極管類似。當電壓高于這一電壓時，反偏電流的大幅增加使反向電壓變化不大。這一參數(shù)的技術(shù)指標通常是一個最小值。測試時在一段特定時間內(nèi)提供一個較低的反偏電流，同時測量LED兩端的電壓降。測量結(jié)果通常在幾伏到幾十伏的量級。

　　漏電流測試（IL）

　　IL測試檢驗LED的漏電流，即當反向電壓低于擊穿電壓時，LED中泄漏的小電流。測試時加載特定的反向電壓，經(jīng)過一定的時間后測量流過LED的相應電流。測試過程要檢驗測得的漏電流是否低于一定的閾值。這些電流的測量結(jié)果通常在納安到毫安的量級。

　　光學測試

　　光強和輻射強度測試

　　發(fā)光（即光照）強度的大小通常用流明/球面度或坎德拉來表示。它的大小范圍通常從毫坎德拉到幾個坎德拉的量級。我們可以利用這個參數(shù)來計算輻射強度，以瓦特/球面度來表示。輻射強度測量的是LED的總輸出（功率），而發(fā)光強度測量的是可見光范圍內(nèi)的輸出（功率）。輻射強度的大小范圍從略小于1μW/sr到幾十mW/sr不等。用總發(fā)光輸出（流明/瓦）除以輸入功率可以計算出發(fā)光效率。光照強度通常采用光電探測器（PD）進行測量。流過PD的反向漏電流大小與照射在它上面的光強度成正比。因此，如果用LED照射PD同時測量PD上相應的漏電流，就可以推算出光照強度。采用這種方法測量光照強度時，只需使用高速直流測試儀就可以構(gòu)建出能夠進行直流和光學測試的整個測試系統(tǒng)。如果不愿意使用這種直流測試方法，就必須使用累計球，本文不再對此進行詳細討論。

圖2：基于數(shù)字源表/靜電計的可見光LED生產(chǎn)測試典型測試系統(tǒng)的模塊圖

　　注：在進行發(fā)光和輻射強度測量時測試夾具中需要用到累計球。

    波長和色彩測試

　　我們通常采用分光計來測量波長，它測量的是LED輸出的主要和峰值波長。LED的輸出頻譜稱為遠場圖（farfiELd pattern，F(xiàn)FP），類似于一條以LED峰值波長為中心的正態(tài)曲線。半最大值處全寬度（Full width at halfmaximum，F(xiàn)WHM）計算作為半光強下的頻譜帶寬，用于表示LED的工作波長范圍。采用ISO/CIE標準色度系統(tǒng)可以測得LED輸出的色彩信息，這種系統(tǒng)可以測量出基于三基色（紅、藍和綠）大小的輸出色彩。

　　測試系統(tǒng)介紹

　　單LED測試系統(tǒng)

　　LED被放測試夾具中，連接數(shù)字源表的輸入端。放置器件和連接待測器件（DUT）的操作通常是由元件機械手完成的，以實現(xiàn)自動化的生產(chǎn)流程。測試夾具通常是避光的，以防止由于環(huán)境光線的影響導致測試數(shù)據(jù)出錯。光電探測器（PD）集成在測試夾具中，當機械手將LED放入測試夾具中時，就對其進行測試。圖2給出了上述的典型直流特征分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

　　數(shù)字源表能夠?qū)ED進行三種直流測試。由于這種儀器能夠提供任意極性的電流源或電壓源，因此無須翻轉(zhuǎn)或移動放置在最初測試位置上的LED即可完成所有直流特征分析測試。數(shù)字源表和靜電計結(jié)合使用，能夠測出光照強度的大小。要對LED的光照強度進行特征分析，數(shù)字源表需要在LED的工作（電壓）范圍內(nèi)進行多點電流掃描（如圖3a所示），利用一臺6517A通過PD即可測出發(fā)光情況（如圖3b所示）。對于高產(chǎn)能應用，人們一般只在一個或少數(shù)幾個測試點上測量光照強度。

圖3a：LED測量電路

圖3b：光電探測器電源電路

    多/陣列式LED系統(tǒng)

　　對于LED陣列、多管芯封裝或老化測試應用，我們常常需要同時測試很多LED。一次測試多個器件性價比最高的方式就是在測試系統(tǒng)中集成開關(guān)。老化測試通常需要對LED進行延時通電，這需要不帶開關(guān)的專用電源功能。老化測試系統(tǒng)中PD的測量一般采用多路復用的方式監(jiān)測不同時刻的LED性能。圖4給出了一種LED開關(guān)測試系統(tǒng)配置的例子。實際的系統(tǒng)可以配置任意數(shù)量的二極管，支持各種電氣指標。

圖4：多個LED到一臺2400型數(shù)字源表的切換以及多個PD到6517A型靜電計的切換（點擊圖片放大）

　　在多器件測試系統(tǒng)中，每次選擇單個LED進行測試，與該LED和用于檢測光照強度的PD對應的繼電器閉合。數(shù)字源表進行所需的直流測試，然后加載足夠的電流點亮LED，當LED點亮時，6517A測量PD增大的漏流。當這一測試過程完成后，再選擇用于下一個器件的開關(guān)通道。

　　7011型多路復用卡的偏移電流指標是<100pA，這個值可能超出了測試系統(tǒng)的誤差容限。因此，用7158（或7058）型低電流掃描卡代替7011，可以將偏移量降低到<1pA（<30fA典型值）。注意，重要的是采用低電流卡將會降低系統(tǒng)可用的通道密度。低電流卡只有10個通道可用于掃描，這意味著當用它們替代7011時，需要使用的卡的數(shù)量將增加四倍。

　　集成器件

　　目前很多傳感器都在同一個封裝內(nèi)集成了LED和PD，用于構(gòu)成反射目標傳感器、光開關(guān)或其它一些混合器件。集成器件需要同時測試LED和PD的性能。其中要使用外部PD或者其它光敏器件單獨監(jiān)測LED的輸出。直流測試利用數(shù)字源表完成，但是當測量光照強度時，內(nèi)部和外部PD都要進行測量。不僅LED必須要通過所有所需的直流和光學測試，而且內(nèi)部PD數(shù)據(jù)也必須與從“標準”外部器件上獲取的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來。圖5給出了一個采用三臺數(shù)字源表的這類測試系統(tǒng)實例。

圖5：利用2400數(shù)字源表測量集成式LED/PD器件（點擊圖片放大）

　　根據(jù)測試規(guī)范所需的電流靈敏度，我們可以采用2400或者6517A測量PD。2400對于精確測量低達10nA的電流是很有用的，而6517A能夠可靠地測量低于10fA的電流。

    測試系統(tǒng)安全性

　　很多電子測試系統(tǒng)或儀器能夠測量或提供危險的電壓或功率。還有可能的是，在單故障條件下（例如編程錯誤或者儀器失效），即使系統(tǒng)顯示不存在危險也會輸出危險電平。

　　對于這些高電壓和高功率，很有必要始終保護操作人員避免這些危險。

　　保護方法包括：

　　● 設(shè)計測試夾具防止操作人員接觸任何危險電路。

　　● 確保待測器件完全密封以保護操作人員免遭飛出碎片的傷害。例如，電容和半導體器件在電壓過高的情況下會發(fā)生爆炸。

　　● 對操作人員可能接觸到的所有電氣連接進行雙層絕緣。雙層絕緣能夠確保即使一層絕緣失效仍然能夠保護操作人員。

　　● 當測試夾具外殼打開時，采用高可靠、失效保護式互鎖開關(guān)斷開電源。

　　● 如果可能，盡量采用自動化的機械手，這樣操作人員就不必接觸測試夾具的內(nèi)部或者打開保護裝置。

　　● 對所有系統(tǒng)用戶進行探測器操作培訓，使得他們明白所有潛在的危險，并知道如何保護自己不受傷害。

　　● 測試系統(tǒng)的設(shè)計者、集成者和安裝者要負責確保對操作人員和維護人員的保護措施到位且有效。

　　方法與技術(shù)

　　基于Trigger Link的同步

　　Trigger Link是測試系統(tǒng)中的儀器使用的一種硬件握手總線，以確保實現(xiàn)正確的測試序列。它是所有最新吉時利儀器的標準功能，包括本文中提到的所有儀器。當電表和開關(guān)主機通過Trigger Link線纜連接起來時，它們就可以相互觸發(fā)，實現(xiàn)更快的測試操作。這種內(nèi)置總線不需要PC直接控制大多數(shù)系統(tǒng)功能。當正確使用Trigger Link功能時，PC需要完成的唯一功能就是初始化測試以及從系統(tǒng)中檢索數(shù)據(jù)。

　　要想了解有關(guān)如何利用Trigger Link配置同步測試系統(tǒng)的詳細方法，請查閱吉時利2217號應用筆記“多臺數(shù)字源表的觸發(fā)同步”。

　　接觸檢查

　　數(shù)字源表接觸檢查功能能夠幫助用戶消除由于接觸疲勞、破損或污染，連接松動或斷裂，繼電器失效等問題導致的測量誤差和假產(chǎn)品失效。在開始執(zhí)行每個自動測試序列之前，要檢驗與待測器件（DUT）的接觸情況，這有助于降低加工和假故障帶來的成本。

　　接觸檢查功能檢驗HI/LO測試引線對之間的電阻是否低于一定的閾值。接觸檢查要在Output HI/LO、Sense HI/LO和Guard/Guard Sense對之間進行。通過使用脈沖變換器和參考電阻，我們可以非常快地進行接觸檢查（通常在350μs之內(nèi)）。參考電阻可以設(shè)置為三個不同的值（5Ω、15Ω、50Ω）。接觸檢查功能并不在DUT上傳輸信號——只在上述三對HI/LO引線之間。如果發(fā)現(xiàn)接觸檢查失效，該測試操作將被忽略并通過面板、IEEE-488接口總線和數(shù)字I/O端口給出失效指示。

    驗證LED極性

　　我們可以在測試集中增加一種極性測試。極性測試可以在完成功能測試之前安全而快速地判斷出LED的方向。我們可以通過兩種方式利用LED的擊穿特性判斷LED的極性。一種是在LED中通過正電流，測量電壓。如果電壓值低于1V（典型情況下）表示二極管是正向極性，而高電壓表示擊穿和反向極性。另外一種方法是，在LED中通過負電流，如果測出的電壓小于1V表示反向極性，高電壓表示擊穿和正向極性。具體選擇哪種方法測試極性主要取決于測試程序的整體結(jié)構(gòu)。

　　要想詳細了解如何利用極性測試的結(jié)果以及各種可選的數(shù)字源表和元件機械手，請查閱吉時利1805號應用筆記“基于2400系列數(shù)字源表的二極管生產(chǎn)測試”。

　　常見誤差源

　　結(jié)自熱

　　隨著測試時間的增加，LED的半導體結(jié)往往會發(fā)熱。對結(jié)發(fā)熱最敏感的兩種測試是正向電壓測試和漏電流測試。當結(jié)發(fā)熱時，電壓會下降，更重要的是，在穩(wěn)壓測試過程中漏電流會增大。因此，在不降低測量精度或穩(wěn)定性的情況下盡量縮短測試時間是很重要的。

　　數(shù)字源表系列可以配置測量之前的器件浸透時間（soak time）以及獲取輸入信號的時間。浸透時間使得電路電容能夠在測量開始前穩(wěn)定下來。測量積分時間取決于電源線性周期數(shù)（NPLC）。如果輸入電源頻率為60Hz，那么1NPLC測量將需要1/60秒，即16.667ms。積分時間決定了模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）獲取輸入信號的時間，它體現(xiàn)了速度和精度二者之間的折衷。

　　VF測試的典型浸透時間從1毫秒到5毫秒不等，IL測試為5毫秒到20毫秒。利用這些較短的測試時間，可以減少由于結(jié)發(fā)熱導致的誤差。此外，通過進行一系列測試并只改變測試時間可以確定結(jié)發(fā)熱的特性。

　　引線電阻

　　常見的一種電壓測量誤差源是從儀器到LED連接的測試引線帶來的串聯(lián)電阻。當采用2線連接方式時（如圖6a所示），這種串聯(lián)電阻就會加入測量。當連接線較長并且采用高電流時，引線電阻的影響就特別有害，因為引線電阻上產(chǎn)生的電壓降相比所測的電壓就很大了。

圖6a：雙線連接

圖6a：雙線連接

　　要解決這個問題，最好采用四線遠程檢測方法而不是雙線技術(shù)。采用四線連接方法（如圖6b所示），電流經(jīng)由Output HI/LO測試引線流過LED，利用Sense HI/LO引線測量LED上的電壓。這樣，測得的就只是LED上的電壓降了。

    漏電流

　　在測量極低的電流時，例如漏電流，線纜和夾具中的雜散漏流也是一種誤差源。為盡量減少這種問題的影響，應該采用高電阻材料制作測試夾具。另外一種減少漏電流的方法是采用數(shù)字源表內(nèi)置的保護電路。這種保護電路是電路中的一個低阻抗點，它與待保護的高阻抗點幾乎具有相同的電位。圖7中的例子很好地說明了這一原理。

圖7：2400系列的保護技術(shù)（點擊圖片放大）

　　在這個例子中，待測的LED安裝在兩個絕緣支架上（RL1和RL2）。這個電路中使用的保護電路能夠確保所有的電流都流過二極管，不會流過支架。一般而言，當產(chǎn)生的電流源或測量的電流小于1μA時都應該采用線纜保護措施。將儀器的Guard端與金屬板相連以保護這種電路。這樣就使得絕緣體RL1和RL2的底部與頂部幾乎具有相同的電位。由于絕緣體的兩端幾乎具有相同的電位，因此沒有明顯的電流流過其中。所有的電流都像我們希望的那樣流過LED。

　　警告：Guard端與Output HI端具有相同的電位。因此，如果Output HI存在危險電壓，那么Guard端上也存在這一危險電壓。

　　靜電干擾

　　當把一個帶電的物體靠近另一個不帶電的物體時，高電阻測量容易受到靜電干擾的影響。要想減少靜電場的影響，可以采用一個屏蔽罩將待測電路封裝起來。如圖7所示。一個接地的金屬屏蔽罩包裹著待測的LED。數(shù)字源表的Output LO端必須連接金屬屏蔽罩，以防止由于共模干擾和其它干擾造成的噪聲。采用這類屏蔽罩還有助于防止操作人員接觸支架金屬板，因為這個金屬板也具有保護電位。

　　光干擾

　　LED的測試需要檢測LED發(fā)光的大小和強度，因此測試夾具應該避光。一般地，我們可以將測試夾具的內(nèi)部噴成黑色，以減少夾具內(nèi)部的光線反射。

　　程序范例吉時利開發(fā)了一套Microsoft® Visual Basic范例程序，實現(xiàn)了圖4中測試系統(tǒng)的多點LED/PD測試。用戶可以從ftp://ftp.keithley.com/pub/instr/SourceMeter/VisibleLED.zip免費下載范例程序。此外，還可以從同一目錄中下載3x2400.zip文件，其說明了圖5中給出的觸發(fā)機制和測試系統(tǒng)。這些程序范例有效說明了如何針對各個測試參數(shù)配置2400和6517A，以及如何采用Trigger Link進行快速測試定序。

　　注意：所提供的這些測試程序旨在幫助說明本文所述的有關(guān)概念。要想符合所需的測試參數(shù)與時序的要求可能要對這些程序進行一定的修改。

    設(shè)備列表

　　配置圖2中的系統(tǒng)需要下列設(shè)備：

　　1. 2400型數(shù)字源表

　　2. 6517A型靜電計/高電阻系統(tǒng)

　　3. 8501型Trigger Link線纜

　　4. 兩條7007型IEEE-488接口線

　　5. KPCI-488型IEEE-488計算機PC接口板

　　6. 帶校準光電探測器的避光外殼

　　7. 用于連接數(shù)字源表9針公D型輔助接頭與元件機械手的定制數(shù)字I/O線

　　8. 用于連接測試設(shè)備與DUT和光電探測器的定制線束

　　配置圖4中的系統(tǒng)需要下列設(shè)備：

　　1. 2400型數(shù)字源表

　　2. 6517A型靜電計/高電阻系統(tǒng)

　　3. 7001型（或7002型）開關(guān)主機

　　4. 7011型四1x10多路復用卡（每個卡可支持20對LED/PD）

　　5. 三條8501型Trigger Link線纜

　　6. 三條7007型IEEE-488接口線

　　7. KPCI-488型IEEE-488計算機PC接口板

　　8. 用于連接測試設(shè)備與待測器件的定制線束

　　配置圖5中的系統(tǒng)需要下列設(shè)備：

　　1. 2400型數(shù)字源表

　　2. 兩條8501型Trigger Link線纜

　　3. 8505型Trigger Link Y型適配器

　　4. 三條7007型IEEE-488接口線

　　5. KPCI-488型IEEE-488計算機PC接口板

　　6. 安裝在測試夾具中的經(jīng)過校準的光電探測器

　　7. 用于連接測試設(shè)備與待測器件的定制線束