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。它是半導(dǎo)體二極管的一種，可以把電能轉(zhuǎn)化成光能；常簡(jiǎn)寫為L(zhǎng)ED。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個(gè)PN結(jié)組成，也具有單向?qū)щ娦浴．?dāng)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(jié)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(fù)合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導(dǎo)體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當(dāng)電子和空穴復(fù)合時(shí)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(zhǎng)越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。

　　測(cè)試需求

　　高亮度發(fā)光二極管（HBLED）憑借其高效率、長(zhǎng)壽命和色彩豐富等特性正快速發(fā)展。發(fā)光二極管簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)ED。由鎵（Ga）與砷（AS）、磷（P）的化合物制成的二極管，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)能輻射出可見(jiàn)光，因而可以用來(lái)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(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(chǎng)對(duì)這類器件的需求將會(huì)更快的增長(zhǎng)，但是這需要更先進(jìn)的測(cè)試方法和儀器。

　　為了利用HBLED所具備的這些新機(jī)會(huì)，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(duì)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(shì)。

　　其它測(cè)試需求

　　高亮度發(fā)光二極管（HBLED）的發(fā)展使得它的市場(chǎng)需求大大增加了。這類新型LED具有更高的效率、更長(zhǎng)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。這亟需通過(guò)介入制造工藝并增大產(chǎn)能來(lái)降低這類器件的單位成本，同時(shí)要通過(guò)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(cè)試工程師必須構(gòu)建出能夠保持研發(fā)測(cè)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)。在測(cè)試單個(gè)器件（例如利用機(jī)械手系統(tǒng)測(cè)試芯片或者封裝部件）和進(jìn)行多器件并行的晶圓級(jí)測(cè)試進(jìn)行上游初選時(shí)，必須滿足這些測(cè)試需求。

　　LED特性確定測(cè)試

　　簡(jiǎn)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，也簡(jiǎn)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(qū)動(dòng)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。

　　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(guò)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?。╨ightextraction）技術(shù)，HBLED的光強(qiáng)輸出范圍可從幾百到幾千mcd。

　　Feasa LED Analyser是一個(gè)測(cè)量系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速和自動(dòng)測(cè)試LED的顏色和亮度。每個(gè)LED分析儀能同時(shí)測(cè)量多達(dá)20種不同的顏色和強(qiáng)度的光源。從光纖（POF）收集，進(jìn)行測(cè)量和分析。該裝置是專為L(zhǎng)ED和液晶顯示器等設(shè)計(jì)的自動(dòng)測(cè)試裝置。

　　該分析結(jié)果可以讀出通過(guò)并行接口，RS232串行接口或USB接口。讀回所需信息的時(shí)間小于1.5秒，這使得它非常適合集成在自動(dòng)測(cè)試設(shè)備（ATE）。對(duì)于超過(guò)20個(gè)LED應(yīng)用多個(gè)LED分析儀可同時(shí)使用。

　　LED分析儀可同時(shí)用于功能測(cè)試和在線測(cè)試的應(yīng)用程序。測(cè)試的應(yīng)用范圍從LED的顯示器和移動(dòng)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(jué)應(yīng)用。

　　Feasa LED分析儀是一個(gè)功能強(qiáng)大，高度，高重復(fù)性，適應(yīng)性強(qiáng)，使用方便，快速，全自動(dòng)化LED顏色和強(qiáng)度測(cè)量傳感器，廣泛應(yīng)用于PCB業(yè)界和測(cè)試設(shè)備。

　　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?。ㄒ话闱闆r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(lái)實(shí)現(xiàn)。

　　由于具有這些額外的特性，HBLED的生產(chǎn)過(guò)程并不容易。當(dāng)前，由于工藝問(wèn)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(guò)測(cè)試來(lái)剔除掉。復(fù)雜的封裝以及生產(chǎn)過(guò)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)用于照明應(yīng)用的HBLED價(jià)格可能高達(dá)$30。

　　測(cè)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(cè)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(guò)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(guò)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(duì)于諸如此類的重要應(yīng)用，HBLED通常需要進(jìn)行100%的晶圓級(jí)測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試內(nèi)容包括一種或多種正偏條件（V和I測(cè)量）下的光輸出強(qiáng)度和光譜、特定電壓下的反偏漏流測(cè)試以及ESD容限測(cè)試。由于HBLED應(yīng)用需要所有這些測(cè)試，所以增大產(chǎn)能的辦法就是加快測(cè)試速度（即縮短測(cè)量時(shí)間）。

　　把光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)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(yán)格地調(diào)燈絲位置，LED發(fā)光部位及接受面位置。

　　先用光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)燈校準(zhǔn)硅光電二極管，C=E/S

　　式中Rs=Is/Ds

　　Ds是標(biāo)準(zhǔn)燈與接受器之間的距離，I s是標(biāo)準(zhǔn)燈的光強(qiáng)度，R s是標(biāo)準(zhǔn)燈的響應(yīng)。

　　Et=C ·R t式中E t是被測(cè)LED的照度，R t是被測(cè)LED的響應(yīng)，則LED的光強(qiáng)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(cè)試方法形成了鮮明對(duì)比。它們通常是對(duì)封裝后的器件進(jìn)行抽樣測(cè)試，抽樣率為1-10%，很少進(jìn)行晶圓級(jí)測(cè)試。在這種低抽樣率下就可以進(jìn)行更多測(cè)試，例如除了前面提到的HBLED的測(cè)試之外，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)碼型/光軸測(cè)試，但是需要測(cè)試的器件總數(shù)仍然較少，測(cè)試時(shí)間對(duì)產(chǎn)能的影響很小。

　　測(cè)試方法學(xué)

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

　　規(guī)格化的光通量/正偏電流（mA）

　　圖2.典型HBLED的L-I曲線

　　對(duì)于HBLED通常進(jìn)行下列測(cè)試：

　　?發(fā)光強(qiáng)度（L）：加載+I，測(cè)量L（如圖2所示）

　　?正向電壓（Vf）：加載+I，測(cè)量Vf（如圖3所示）

　　?反向擊穿電壓（Vr）：加載-I，測(cè)量Vr

　　?反偏漏流（Ir）：加載-V，測(cè)量Ir

　　?結(jié)溫（T）：加載I脈沖，測(cè)量VT并估算結(jié)溫

　　?ESD——靜電放電損傷/壽命測(cè)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(cè)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(qiáng)度和擊穿特性對(duì)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(lái)。如圖5所示。

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

　　圖4.各種HBLED色彩的相對(duì)光譜功率分布

　　相對(duì)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)。通過(guò)匹配LED的Vt參數(shù)（即在一定結(jié)溫下測(cè)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(jié)溫，Ta（℃）是環(huán)境溫度，?Tj（℃）是LED結(jié)溫高于環(huán)境溫度的差值。

　　在測(cè)試過(guò)程中，?Tj高度取決于加載的電流源和HBLED結(jié)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(biāo)準(zhǔn)直流電流源測(cè)量Tj幾乎不可能。其中產(chǎn)生了一個(gè)新的測(cè)試尺度——脈沖式測(cè)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(jié)溫。首先，將器件放入一個(gè)恒溫容器中，讓系統(tǒng)在設(shè)定的溫度下（°C）達(dá)到熱平衡。然后，將一個(gè)電流脈沖加載到器件上，測(cè)出結(jié)的正向電壓（Vt）。這樣就可以根據(jù)器件的Vt值對(duì)器件進(jìn)行分類了。

　　盡管脈沖測(cè)試增加了測(cè)試儀器的復(fù)雜性，但是它在研發(fā)過(guò)程中很常用，并且在脫機(jī)生產(chǎn)測(cè)試過(guò)程中也用的越來(lái)越多（對(duì)于性能指標(biāo)必須經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的QA測(cè)試，尤其是在結(jié)溫極限附近）。

　　測(cè)試儀器

　　無(wú)論是在研發(fā)實(shí)驗(yàn)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(cè)量單元（SMU）都可以用于對(duì)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(guò)程中對(duì)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(cè)試系統(tǒng)，因?yàn)槠渌璧妮^低，測(cè)試速度較慢。這類設(shè)備包括比較便宜的電源、用于電氣測(cè)量的DMM和低價(jià)位的分光計(jì)，所有的儀器通過(guò)GPIB連接在一起。

　　輸出HI檢測(cè)HI/電流源2400系列數(shù)字源表/輸出LO檢測(cè)LO

　　圖6.單LED的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試系統(tǒng)

　　HBLED特征分析的新需求大大改變了對(duì)測(cè)試儀器的要求。由于具有高和高速度的特點(diǎn)，SMU已經(jīng)成為HBLED特征分析的一種標(biāo)準(zhǔn)儀器。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(cè)試和光強(qiáng)度測(cè)量。

　　當(dāng)HBLED的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向生產(chǎn)時(shí)，對(duì)高速測(cè)試的需求也增大了。此外，對(duì)于器件和量產(chǎn)之間的有效性對(duì)比，測(cè)量必須是高度可重復(fù)的。

　　提供電流源測(cè)量電壓/提供電流源測(cè)量電壓/提供電流源測(cè)量電壓

　　提供電流源測(cè)量電壓/LED晶圓/探針臺(tái)/以太網(wǎng)

　　圖7.吉時(shí)利多通道HBLED晶圓測(cè)試系統(tǒng)

　　為了滿足這些需求，多臺(tái)SMU可以通過(guò)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(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(cè)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(guò)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(wèn)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(duì)晶圓進(jìn)行并行的光學(xué)測(cè)試和電氣特征分析。測(cè)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(duì)4個(gè)HBLED進(jìn)行電氣測(cè)試，測(cè)試的直流電平可達(dá)10V電流可達(dá)1A。另外，每塊SMU卡上的四個(gè)電流源可以并聯(lián)起來(lái)，以4A的電流同時(shí)測(cè)試9個(gè)HBLED。

　　如果需要，該系統(tǒng)可以通過(guò)分光計(jì)PCI卡接口實(shí)現(xiàn)OSA測(cè)量。在這種功能下，常用的測(cè)試順序如下：

　　1.探針儀將一塊晶圓移動(dòng)到位，使探針下壓接觸多個(gè)獨(dú)立的HBLED管芯。

　　2.測(cè)試儀對(duì)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(cè)試儀同時(shí)測(cè)出各個(gè)管芯上的正向電壓降。

　　3.測(cè)試儀對(duì)各個(gè)管芯同時(shí)加載反向電壓。然后測(cè)試儀同時(shí)測(cè)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(cè)試完整個(gè)晶圓（或者設(shè)定的采樣尺寸）。

　　可以采用直流測(cè)量代替某些直接的光學(xué)測(cè)量。例如，可以采用光電探測(cè)器（PD）測(cè)量光強(qiáng)度。通過(guò)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(wèn)題

　　上面所討論的、可重復(fù)性和測(cè)試產(chǎn)能問(wèn)題是在選擇測(cè)試設(shè)備時(shí)要考慮的基本問(wèn)題。一般認(rèn)為，速度和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。和可重復(fù)性應(yīng)該足夠高，以避免良率問(wèn)題（即通過(guò)了壞的元件或者淘汰了好的元件）。

　　測(cè)試儀器的架構(gòu)和控制方式也對(duì)測(cè)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(jiǎn)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(cè)試開(kāi)發(fā)和執(zhí)行環(huán)境。

　　除了提高性能以及使測(cè)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(duì)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(fèi)用，從而降低測(cè)試成本，提高產(chǎn)品良率。