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(shí)具有更高的成本。這兩個(gè)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(jià)格進(jìn)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(jìn)的測試方法和儀器。

為了利用HBLED所具備的這些新機(jī)會，制造商們正努力尋求現(xiàn)有HBLED設(shè)計(jì)增大產(chǎn)量、降低單位成本的方法。在研發(fā)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)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(qiáng)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?yàn)閭鹘y(tǒng)的白熾燈和熒光燈在單位價(jià)格方面具有明顯的優(yōu)勢。

從研發(fā)到生產(chǎn)的整個(gè)過程中必須進(jìn)行有效的電氣測量，即使是在排除技術(shù)問題的時(shí)候也常常要進(jìn)行這類測量。當(dāng)某種新技術(shù)被商業(yè)化的時(shí)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(shí)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(gè)器件(例如利用機(jī)械手系統(tǒng)測試芯片或者封裝的部件)和進(jìn)行多器件并行的晶圓級測試進(jìn)行上游初選時(shí)，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(kuò)展和廣泛實(shí)現(xiàn)給制造商們帶來了微薄的機(jī)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(shí)要通過持續(xù)的研發(fā)堅(jiān)持創(chuàng)新，保持技術(shù)上的穩(wěn)固地位。

為了同時(shí)實(shí)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(shí)增大產(chǎn)能進(jìn)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(shí)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(shí)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(gè)器件(例如利用機(jī)械手系統(tǒng)測試芯片或者封裝部件)和進(jìn)行多器件并行的晶圓級測試進(jìn)行上游初選時(shí)，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(diǎn)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(qiáng)度可從1到100mcd。一種用于指示燈的LED價(jià)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(jìn)的光提取(lightextraction)技術(shù)，HBLED的光強(qiáng)輸出范圍可從幾百到幾千mcd。

要達(dá)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(gè)用于專業(yè)照明應(yīng)用的頂級HBLED價(jià)格可能高達(dá)$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(dá)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(jìn)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(qiáng)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(dá)100%的器件可能需要再次進(jìn)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(shí)間占據(jù)了生產(chǎn)吞吐時(shí)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(shí)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(jìn)行抽樣測試，抽樣率為1-10%，很少進(jìn)行晶圓級測試。在這種低抽樣率下就可以進(jìn)行更多測試，例如除了前面提到的HBLED的測試之外，還可以進(jìn)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(shí)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(gè)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(jìn)行下列測試：

發(fā)光強(qiáng)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(shí)間內(nèi)加載一個(gè)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(qiáng)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(gè)器件同時(shí)安裝在一個(gè)夾具上并采用并聯(lián)的布線方式，以實(shí)現(xiàn)較大面積的照明。汽車尾燈就是采用這種設(shè)計(jì)。在這種結(jié)構(gòu)下，確保每個(gè)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(gè)器件失效而替換整個(gè)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(shí)驗(yàn)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(jì)進(jìn)行特征分析(如圖6所示)。在生產(chǎn)過程中對傳統(tǒng)LED進(jìn)行特征分析時(shí)，通常使用比較便宜的實(shí)驗(yàn)室儀器和自研的測試系統(tǒng)，因?yàn)槠渌璧木容^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(jià)位的分光計(jì)，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(shí)驗(yàn)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(diǎn)，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(jìn)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(shí)現(xiàn)I-V測試和光強(qiáng)度測量。

當(dāng)HBLED的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向生產(chǎn)時(shí)，對高速測試的需求也增大了。某種情況下，對單個(gè)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(gè)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(shí)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(jì)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(jī)架式安裝的一套機(jī)箱中。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)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(jìn)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(jì)支持在探針卡上集成聚光元件，從而可以對晶圓進(jìn)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(dá)9塊SMU卡，每一塊都能夠同時(shí)對4個(gè)HBLED進(jìn)行電氣測試，測試的直流電平最高可達(dá)10V電流可達(dá)1A。這相當(dāng)于在一個(gè)機(jī)箱中緊密集成了36個(gè)測試儀。(能夠同時(shí)接觸到的實(shí)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(gè)電流源可以并聯(lián)起來，以最高4A的電流同時(shí)測試9個(gè)HBLED。

如果需要，該系統(tǒng)可以通過分光計(jì)PCI卡接口實(shí)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(gè)獨(dú)立的HBLED管芯。

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

3.測試儀對各個(gè)管芯同時(shí)加載反向電壓。然后測試儀同時(shí)測出每個(gè)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(gè)位置。

6.重復(fù)上述步驟1-5直至測試完整個(gè)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(qiáng)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(jì)算出光強(qiáng)度。采用這種方法測量光強(qiáng)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(shí)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(shí)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(jìn)行優(yōu)化。這可以通過可編程的SMU信號集成周期來實(shí)現(xiàn)，通過調(diào)節(jié)這一周期可以實(shí)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(jì)時(shí)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(shí)現(xiàn)精確的高速源和測量功能。這種設(shè)計(jì)應(yīng)該結(jié)合精確的驅(qū)動電流控制、快速的穩(wěn)定時(shí)間和高分辨率等因素來實(shí)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(jī)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(jī)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(jìn)行互連，就像這個(gè)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(jì)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(fèi)用，從而降低測試成本，提高產(chǎn)品良率。