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。它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能；常簡寫為LED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導電性。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結附近數(shù)微米內(nèi)分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。

　　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。發(fā)光二極管簡稱為LED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當電子與空穴復合時能輻射出可見光，因而可以用來制成發(fā)光二極管。在電路及儀器中作為指示燈，或者組成文字或數(shù)字顯示。磷砷化鎵二極管發(fā)紅光，磷化鎵二極管發(fā)綠光，碳化硅二極管發(fā)黃光。這些特性使得HBLED廣泛應用于諸如建筑照明、汽車照明、醫(yī)療設備、軍用系統(tǒng)甚至普通照明領域中。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。大家重點關注的指標包括更高的效率、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。

　　其它測試需求

　　高亮度發(fā)光二極管（HBLED）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，使得它們的應用范圍不再僅僅局限于指示燈，而是轉向更廣泛的應用領域。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，保持技術上的穩(wěn)固地位。

　　為了同時實現(xiàn)這些目標，這種器件的特征分析就顯得尤為重要。測試工程師必須構建出能夠保持研發(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)。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

　　簡單的傳統(tǒng)LED都是同構結構的，即P和N結都采用相同類型材料。這種情況下點陣匹配的難度，也簡化了工藝，從而降低了成本，但是發(fā)光效率不高。根據(jù)產(chǎn)品和驅動電流的范圍，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。

　　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/N型襯底/底層電極

　　圖1.多層HBLED的結構圖

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

　　Feasa LED Analyser是一個測量系統(tǒng)，能夠實現(xiàn)快速和自動測試LED的顏色和亮度。每個LED分析儀能同時測量多達20種不同的顏色和強度的光源。從光纖（POF）收集，進行測量和分析。該裝置是專為LED和液晶顯示器等設計的自動測試裝置。

　　該分析結果可以讀出通過并行接口，RS232串行接口或USB接口。讀回所需信息的時間小于1.5秒，這使得它非常適合集成在自動測試設備（ATE）。對于超過20個LED應用多個LED分析儀可同時使用。

　　LED分析儀可同時用于功能測試和在線測試的應用程序。測試的應用范圍從LED的顯示器和移動電話，汽車照明的位置，在行業(yè)或電子元件生產(chǎn)線檢查系統(tǒng)。也被人工視覺應用。

　　Feasa LED分析儀是一個功能強大，高度，高重復性，適應性強，使用方便，快速，全自動化LED顏色和強度測量傳感器，廣泛應用于PCB業(yè)界和測試設備。

　　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結之間設置電子阻塞層，以增大輻射復合率，并減少結的自熱（I2R）。此外，HBLED的管殼必須能夠散發(fā)更多的熱量，保持LED的結溫處于合適的大?。ㄒ话闱闆r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。當前，由于工藝問題導致點陣匹配不佳，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，一個用于照明應用的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)品的固有應用和成本結構是其生產(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。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）嚴格的光學和電氣限制。

　　對于諸如此類的重要應用，HBLED通常需要進行100%的晶圓級測試。標準測試內(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。由于HBLED應用需要所有這些測試，所以增大產(chǎn)能的辦法就是加快測試速度（即縮短測量時間）。

　　把光強標準燈，LED和配有V（λ）濾光片的硅光電二極管安裝和調(diào)試在光具座上，特別是嚴格地調(diào)燈絲位置，LED發(fā)光部位及接受面位置。

　　先用光強標準燈校準硅光電二極管，C=E/S

　　式中Rs=Is/Ds

　　Ds是標準燈與接受器之間的距離，I s是標準燈的光強度，R s是標準燈的響應。

　　Et=C ·R t式中E t是被測LED的照度，R t是被測LED的響應，則LED的光強度I t為：I t=E t ·Dt

　　式中Dt 是LED與接受面之距離。

　　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

　　HBLED的應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。

　　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

　　?結溫（T）：加載I脈沖，測量VT并估算結溫

　　?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。

　　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溫（Tj）聯(lián)系起來。如圖5所示。

　　品藍色藍色藍綠色綠色/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

　　相對光輸出/藍色光度/品藍色光度/藍綠色光度

　　白色光度/綠色光度/結溫TJ（℃）

　　圖5.光輸出與結溫關系的降負荷曲線

　　例如，在很多HBLED應用中，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計。通過匹配LED的Vt參數(shù)（即在一定結溫下測得的電壓）可以盡量避免出現(xiàn)這種情況。這一溫度可以表示為：

　　Tj=Ta+?Tj,

　　其中Tj（?C）是結溫，Ta（℃）是環(huán)境溫度，?Tj（℃）是LED結溫高于環(huán)境溫度的差值。

　　在測試過程中，?Tj高度取決于加載的電流源和HBLED結的特性。很多器件具有較小的熱質(zhì)量，因此在較高的電流密度下利用標準直流電流源測量Tj幾乎不可能。其中產(chǎn)生了一個新的測試尺度——脈沖式測量以保持產(chǎn)生?Tj的源電流盡可能低。

　　可以采用一種直接的方式估算出結溫。首先，將器件放入一個恒溫容器中，讓系統(tǒng)在設定的溫度下（°C）達到熱平衡。然后，將一個電流脈沖加載到器件上，測出結的正向電壓（Vt）。這樣就可以根據(jù)器件的Vt值對器件進行分類了。

　　盡管脈沖測試增加了測試儀器的復雜性，但是它在研發(fā)過程中很常用，并且在脫機生產(chǎn)測試過程中也用的越來越多（對于性能指標必須經(jīng)過檢驗的QA測試，尤其是在結溫極限附近）。

　　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)，因為其所需的較低，測試速度較慢。這類設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。

　　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。由于具有高和高速度的特點，SMU已經(jīng)成為HBLED特征分析的一種標準儀器。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HBLED的設計轉向生產(chǎn)時，對高速測試的需求也增大了。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的。

　　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、高速度多通道SMU系統(tǒng)。如圖7所示。

　　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。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通信導致的產(chǎn)能下降問題。

　　該系統(tǒng)的設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，測試的直流電平可達10V電流可達1A。另外，每塊SMU卡上的四個電流源可以并聯(lián)起來，以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.探針儀轉向晶圓的下一個位置。

　　6.重復上述步驟1-5直至測試完整個晶圓（或者設定的采樣尺寸）。

　　可以采用直流測量代替某些直接的光學測量。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。

　　其它一些儀器問題

　　上面所討論的、可重復性和測試產(chǎn)能問題是在選擇測試設備時要考慮的基本問題。一般認為，速度和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。和可重復性應該足夠高，以避免良率問題（即通過了壞的元件或者淘汰了好的元件）。

　　測試儀器的架構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應該兼容業(yè)界標準的測試開發(fā)和執(zhí)行環(huán)境。

　　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。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。