LED發(fā)光是帶電粒子在半導(dǎo)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(zhǎng)。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(zhǎng)和功率特性等性能指標(biāo)。
本文介紹了有關(guān)構(gòu)建用于檢驗(yàn)單個(gè)和多個(gè)（陣列）LED器件的生產(chǎn)測(cè)試系統(tǒng)解決方案的方法和問(wèn)題。
測(cè)試介紹
高性能LED通常要進(jìn)行5種測(cè)試。其中包括直流頻譜上的三種測(cè)試（正向電壓、反向擊穿和漏電流測(cè)試）以及光譜上的兩種測(cè)試（光照強(qiáng)度和波長(zhǎng)檢驗(yàn)）。在生產(chǎn)環(huán)境下，通常只有直流測(cè)試涉及測(cè)試產(chǎn)能的問(wèn)題。光學(xué)測(cè)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(shí)驗(yàn)。下面詳細(xì)介紹各種測(cè)試和測(cè)試需求。
直流測(cè)試
圖1給出了本文介紹的三種直流測(cè)試的測(cè)試點(diǎn)。
圖1：典型的LED直流I-V曲線和測(cè)試點(diǎn)
正向電壓測(cè)試（VF）
VF測(cè)試檢驗(yàn)可見(jiàn)光LED的正向工作電壓。超過(guò)這一工作電壓，電路電流的大幅增長(zhǎng)將導(dǎo)致正向電壓明顯升高，如圖1所示。在一段特定的時(shí)間內(nèi)（例如1ms）在LED上加載特定的正向偏置電流（例如10mA），測(cè)量LED兩端的電壓降。測(cè)量的結(jié)果通常為幾百毫伏的量級(jí)。
反向擊穿電壓測(cè)試（VR）
VR測(cè)試檢驗(yàn)LED的反向擊穿電壓，與二極管類(lèi)似。當(dāng)電壓高于這一電壓時(shí)，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(biāo)通常是一個(gè)最小值。測(cè)試時(shí)在一段特定時(shí)間內(nèi)提供一個(gè)較低的反偏電流，同時(shí)測(cè)量LED兩端的電壓降。測(cè)量結(jié)果通常在幾伏到幾十伏的量級(jí)。
漏電流測(cè)試（IL）
IL測(cè)試檢驗(yàn)LED的漏電流，即當(dāng)反向電壓低于擊穿電壓時(shí)，LED中泄漏的小電流。測(cè)試時(shí)加載特定的反向電壓，經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間后測(cè)量流過(guò)LED的相應(yīng)電流。測(cè)試過(guò)程要檢驗(yàn)測(cè)得的漏電流是否低于一定的閾值。這些電流的測(cè)量結(jié)果通常在納安到毫安的量級(jí)。
光學(xué)測(cè)試
光強(qiáng)和輻射強(qiáng)度測(cè)試
發(fā)光（即光照）強(qiáng)度的大小通常用流明/球面度或坎德拉來(lái)表示。它的大小范圍通常從毫坎德拉到幾個(gè)坎德拉的量級(jí)。我們可以利用這個(gè)參數(shù)來(lái)計(jì)算輻射強(qiáng)度，以瓦特/球面度來(lái)表示。輻射強(qiáng)度測(cè)量的是LED的總輸出（功率），而發(fā)光強(qiáng)度測(cè)量的是可見(jiàn)光范圍內(nèi)的輸出（功率）。輻射強(qiáng)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(jì)算出發(fā)光效率。光照強(qiáng)度通常采用光電探測(cè)器（PD）進(jìn)行測(cè)量。流過(guò)PD的反向漏電流大小與照射在它上面的光強(qiáng)度成正比。因此，如果用LED照射PD同時(shí)測(cè)量PD上相應(yīng)的漏電流，就可以推算出光照強(qiáng)度。采用這種方法測(cè)量光照強(qiáng)度時(shí)，只需使用高速直流測(cè)試儀就可以構(gòu)建出能夠進(jìn)行直流和光學(xué)測(cè)試的整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)。如果不愿意使用這種直流測(cè)試方法，就必須使用累計(jì)球，本文不再對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)討論。
圖2：基于數(shù)字源表/靜電計(jì)的可見(jiàn)光LED生產(chǎn)測(cè)試典型測(cè)試系統(tǒng)的模塊圖
注：在進(jìn)行發(fā)光和輻射強(qiáng)度測(cè)量時(shí)測(cè)試夾具中需要用到累計(jì)球。
波長(zhǎng)和色彩測(cè)試
我們通常采用分光計(jì)來(lái)測(cè)量波長(zhǎng)，它測(cè)量的是LED輸出的主要和峰值波長(zhǎng)。LED的輸出頻譜稱為遠(yuǎn)場(chǎng)圖（farfiELd pattern，F(xiàn)FP），類(lèi)似于一條以LED峰值波長(zhǎng)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(jì)算作為半光強(qiáng)下的頻譜帶寬，用于表示LED的工作波長(zhǎng)范圍。采用ISO/CIE標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)可以測(cè)得LED輸出的色彩信息，這種系統(tǒng)可以測(cè)量出基于三基色（紅、藍(lán)和綠）大小的輸出色彩。
測(cè)試系統(tǒng)介紹
單LED測(cè)試系統(tǒng)
LED被放測(cè)試夾具中，連接數(shù)字源表的輸入端。放置器件和連接待測(cè)器件（DUT）的操作通常是由元件機(jī)械手完成的，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的生產(chǎn)流程。測(cè)試夾具通常是避光的，以防止由于環(huán)境光線的影響導(dǎo)致測(cè)試數(shù)據(jù)出錯(cuò)。光電探測(cè)器（PD）集成在測(cè)試夾具中，當(dāng)機(jī)械手將LED放入測(cè)試夾具中時(shí)，就對(duì)其進(jìn)行測(cè)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(jìn)行三種直流測(cè)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(wú)須翻轉(zhuǎn)或移動(dòng)放置在最初測(cè)試位置上的LED即可完成所有直流特征分析測(cè)試。數(shù)字源表和靜電計(jì)結(jié)合使用，能夠測(cè)出光照強(qiáng)度的大小。要對(duì)LED的光照強(qiáng)度進(jìn)行特征分析，數(shù)字源表需要在LED的工作（電壓）范圍內(nèi)進(jìn)行多點(diǎn)電流掃描（如圖3a所示），利用一臺(tái)6517A通過(guò)PD即可測(cè)出發(fā)光情況（如圖3b所示）。對(duì)于高產(chǎn)能應(yīng)用，人們一般只在一個(gè)或少數(shù)幾個(gè)測(cè)試點(diǎn)上測(cè)量光照強(qiáng)度。
圖3a：LED測(cè)量電路
圖3b：光電探測(cè)器電源電路
多/陣列式LED系統(tǒng)
對(duì)于LED陣列、多管芯封裝或老化測(cè)試應(yīng)用，我們常常需要同時(shí)測(cè)試很多LED。一次測(cè)試多個(gè)器件性價(jià)比最高的方式就是在測(cè)試系統(tǒng)中集成開(kāi)關(guān)。老化測(cè)試通常需要對(duì)LED進(jìn)行延時(shí)通電，這需要不帶開(kāi)關(guān)的專用電源功能。老化測(cè)試系統(tǒng)中PD的測(cè)量一般采用多路復(fù)用的方式監(jiān)測(cè)不同時(shí)刻的LED性能。圖4給出了一種LED開(kāi)關(guān)測(cè)試系統(tǒng)配置的例子。實(shí)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(biāo)。
圖4：多個(gè)LED到一臺(tái)2400型數(shù)字源表的切換以及多個(gè)PD到6517A型靜電計(jì)的切換（點(diǎn)擊圖片放大）
在多器件測(cè)試系統(tǒng)中，每次選擇單個(gè)LED進(jìn)行測(cè)試，與該LED和用于檢測(cè)光照強(qiáng)度的PD對(duì)應(yīng)的繼電器閉合。數(shù)字源表進(jìn)行所需的直流測(cè)試，然后加載足夠的電流點(diǎn)亮LED，當(dāng)LED點(diǎn)亮?xí)r，6517A測(cè)量PD增大的漏流。當(dāng)這一測(cè)試過(guò)程完成后，再選擇用于下一個(gè)器件的開(kāi)關(guān)通道。
7011型多路復(fù)用卡的偏移電流指標(biāo)是<100pA，這個(gè)值可能超出了測(cè)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(huì)降低系統(tǒng)可用的通道密度。低電流卡只有10個(gè)通道可用于掃描，這意味著當(dāng)用它們替代7011時(shí)，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(gè)封裝內(nèi)集成了LED和PD，用于構(gòu)成反射目標(biāo)傳感器、光開(kāi)關(guān)或其它一些混合器件。集成器件需要同時(shí)測(cè)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(dú)監(jiān)測(cè)LED的輸出。直流測(cè)試?yán)脭?shù)字源表完成，但是當(dāng)測(cè)量光照強(qiáng)度時(shí)，內(nèi)部和外部PD都要進(jìn)行測(cè)量。不僅LED必須要通過(guò)所有所需的直流和光學(xué)測(cè)試，而且內(nèi)部PD數(shù)據(jù)也必須與從“標(biāo)準(zhǔn)”外部器件上獲取的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)起來(lái)。圖5給出了一個(gè)采用三臺(tái)數(shù)字源表的這類(lèi)測(cè)試系統(tǒng)實(shí)例。
圖5：利用2400數(shù)字源表測(cè)量集成式LED/PD器件（點(diǎn)擊圖片放大）
根據(jù)測(cè)試規(guī)范所需的電流靈敏度，我們可以采用2400或者6517A測(cè)量PD。2400對(duì)于精確測(cè)量低達(dá)10nA的電流是很有用的，而6517A能夠可靠地測(cè)量低于10fA的電流。
測(cè)試系統(tǒng)安全性
很多電子測(cè)試系統(tǒng)或儀器能夠測(cè)量或提供危險(xiǎn)的電壓或功率。還有可能的是，在單故障條件下（例如編程錯(cuò)誤或者儀器失效），即使系統(tǒng)顯示不存在危險(xiǎn)也會(huì)輸出危險(xiǎn)電平。
對(duì)于這些高電壓和高功率，很有必要始終保護(hù)操作人員避免這些危險(xiǎn)。
保護(hù)方法包括：
● 設(shè)計(jì)測(cè)試夾具防止操作人員接觸任何危險(xiǎn)電路。
● 確保待測(cè)器件完全密封以保護(hù)操作人員免遭飛出碎片的傷害。例如，電容和半導(dǎo)體器件在電壓過(guò)高的情況下會(huì)發(fā)生爆炸。
● 對(duì)操作人員可能接觸到的所有電氣連接進(jìn)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(hù)操作人員。
● 當(dāng)測(cè)試夾具外殼打開(kāi)時(shí)，采用高可靠、失效保護(hù)式互鎖開(kāi)關(guān)斷開(kāi)電源。
● 如果可能，盡量采用自動(dòng)化的機(jī)械手，這樣操作人員就不必接觸測(cè)試夾具的內(nèi)部或者打開(kāi)保護(hù)裝置。
● 對(duì)所有系統(tǒng)用戶進(jìn)行探測(cè)器操作培訓(xùn)，使得他們明白所有潛在的危險(xiǎn)，并知道如何保護(hù)自己不受傷害。
● 測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者、集成者和安裝者要負(fù)責(zé)確保對(duì)操作人員和維護(hù)人員的保護(hù)措施到位且有效。
方法與技術(shù)
基于Trigger Link的同步
Trigger Link是測(cè)試系統(tǒng)中的儀器使用的一種硬件握手總線，以確保實(shí)現(xiàn)正確的測(cè)試序列。它是所有最新吉時(shí)利儀器的標(biāo)準(zhǔn)功能，包括本文中提到的所有儀器。當(dāng)電表和開(kāi)關(guān)主機(jī)通過(guò)Trigger Link線纜連接起來(lái)時(shí)，它們就可以相互觸發(fā)，實(shí)現(xiàn)更快的測(cè)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(dāng)正確使用Trigger Link功能時(shí)，PC需要完成的唯一功能就是初始化測(cè)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(cè)試系統(tǒng)的詳細(xì)方法，請(qǐng)查閱吉時(shí)利2217號(hào)應(yīng)用筆記“多臺(tái)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(dòng)或斷裂，繼電器失效等問(wèn)題導(dǎo)致的測(cè)量誤差和假產(chǎn)品失效。在開(kāi)始執(zhí)行每個(gè)自動(dòng)測(cè)試序列之前，要檢驗(yàn)與待測(cè)器件（DUT）的接觸情況，這有助于降低加工和假故障帶來(lái)的成本。
接觸檢查功能檢驗(yàn)HI/LO測(cè)試引線對(duì)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(duì)之間進(jìn)行。通過(guò)使用脈沖變換器和參考電阻，我們可以非常快地進(jìn)行接觸檢查（通常在350μs之內(nèi)）。參考電阻可以設(shè)置為三個(gè)不同的值（5Ω、15Ω、50Ω）。接觸檢查功能并不在DUT上傳輸信號(hào)——只在上述三對(duì)HI/LO引線之間。如果發(fā)現(xiàn)接觸檢查失效，該測(cè)試操作將被忽略并通過(guò)面板、IEEE-488接口總線和數(shù)字I/O端口給出失效指示。
驗(yàn)證LED極性
我們可以在測(cè)試集中增加一種極性測(cè)試。極性測(cè)試可以在完成功能測(cè)試之前安全而快速地判斷出LED的方向。我們可以通過(guò)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(guò)正電流，測(cè)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(guò)負(fù)電流，如果測(cè)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(cè)試極性主要取決于測(cè)試程序的整體結(jié)構(gòu)。
要想詳細(xì)了解如何利用極性測(cè)試的結(jié)果以及各種可選的數(shù)字源表和元件機(jī)械手，請(qǐng)查閱吉時(shí)利1805號(hào)應(yīng)用筆記“基于2400系列數(shù)字源表的二極管生產(chǎn)測(cè)試”。
常見(jiàn)誤差源
結(jié)自熱
隨著測(cè)試時(shí)間的增加，LED的半導(dǎo)體結(jié)往往會(huì)發(fā)熱。對(duì)結(jié)發(fā)熱最敏感的兩種測(cè)試是正向電壓測(cè)試和漏電流測(cè)試。當(dāng)結(jié)發(fā)熱時(shí)，電壓會(huì)下降，更重要的是，在穩(wěn)壓測(cè)試過(guò)程中漏電流會(huì)增大。因此，在不降低測(cè)量精度或穩(wěn)定性的情況下盡量縮短測(cè)試時(shí)間是很重要的。
數(shù)字源表系列可以配置測(cè)量之前的器件浸透時(shí)間（soak time）以及獲取輸入信號(hào)的時(shí)間。浸透時(shí)間使得電路電容能夠在測(cè)量開(kāi)始前穩(wěn)定下來(lái)。測(cè)量積分時(shí)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(cè)量將需要1/60秒，即16.667ms。積分時(shí)間決定了模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）獲取輸入信號(hào)的時(shí)間，它體現(xiàn)了速度和精度二者之間的折衷。
VF測(cè)試的典型浸透時(shí)間從1毫秒到5毫秒不等，IL測(cè)試為5毫秒到20毫秒。利用這些較短的測(cè)試時(shí)間，可以減少由于結(jié)發(fā)熱導(dǎo)致的誤差。此外，通過(guò)進(jìn)行一系列測(cè)試并只改變測(cè)試時(shí)間可以確定結(jié)發(fā)熱的特性。
引線電阻
常見(jiàn)的一種電壓測(cè)量誤差源是從儀器到LED連接的測(cè)試引線帶來(lái)的串聯(lián)電阻。當(dāng)采用2線連接方式時(shí)（如圖6a所示），這種串聯(lián)電阻就會(huì)加入測(cè)量。當(dāng)連接線較長(zhǎng)并且采用高電流時(shí)，引線電阻的影響就特別有害，因?yàn)橐€電阻上產(chǎn)生的電壓降相比所測(cè)的電壓就很大了。
圖6a：雙線連接
圖6a：雙線連接
要解決這個(gè)問(wèn)題，最好采用四線遠(yuǎn)程檢測(cè)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(cè)試引線流過(guò)LED，利用Sense HI/LO引線測(cè)量LED上的電壓。這樣，測(cè)得的就只是LED上的電壓降了。
漏電流
在測(cè)量極低的電流時(shí)，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(wèn)題的影響，應(yīng)該采用高電阻材料制作測(cè)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(hù)電路。這種保護(hù)電路是電路中的一個(gè)低阻抗點(diǎn)，它與待保護(hù)的高阻抗點(diǎn)幾乎具有相同的電位。圖7中的例子很好地說(shuō)明了這一原理。
圖7：2400系列的保護(hù)技術(shù)（點(diǎn)擊圖片放大）
在這個(gè)例子中，待測(cè)的LED安裝在兩個(gè)絕緣支架上（RL1和RL2）。這個(gè)電路中使用的保護(hù)電路能夠確保所有的電流都流過(guò)二極管，不會(huì)流過(guò)支架。一般而言，當(dāng)產(chǎn)生的電流源或測(cè)量的電流小于1μA時(shí)都應(yīng)該采用線纜保護(hù)措施。將儀器的Guard端與金屬板相連以保護(hù)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(méi)有明顯的電流流過(guò)其中。所有的電流都像我們希望的那樣流過(guò)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(xiǎn)電壓，那么Guard端上也存在這一危險(xiǎn)電壓。
靜電干擾
當(dāng)把一個(gè)帶電的物體靠近另一個(gè)不帶電的物體時(shí)，高電阻測(cè)量容易受到靜電干擾的影響。要想減少靜電場(chǎng)的影響，可以采用一個(gè)屏蔽罩將待測(cè)電路封裝起來(lái)。如圖7所示。一個(gè)接地的金屬屏蔽罩包裹著待測(cè)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(lèi)屏蔽罩還有助于防止操作人員接觸支架金屬板，因?yàn)檫@個(gè)金屬板也具有保護(hù)電位。
光干擾
LED的測(cè)試需要檢測(cè)LED發(fā)光的大小和強(qiáng)度，因此測(cè)試夾具應(yīng)該避光。一般地，我們可以將測(cè)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(shí)利開(kāi)發(fā)了一套Microsoft? Visual Basic范例程序，實(shí)現(xiàn)了圖4中測(cè)試系統(tǒng)的多點(diǎn)LED/PD測(cè)試。用戶可以從ftp://ftp.keithley.com/pub/instr/SourceMeter/VisibleLED.zip免費(fèi)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(shuō)明了圖5中給出的觸發(fā)機(jī)制和測(cè)試系統(tǒng)。這些程序范例有效說(shuō)明了如何針對(duì)各個(gè)測(cè)試參數(shù)配置2400和6517A，以及如何采用Trigger Link進(jìn)行快速測(cè)試定序。
注意：所提供的這些測(cè)試程序旨在幫助說(shuō)明本文所述的有關(guān)概念。要想符合所需的測(cè)試參數(shù)與時(shí)序的要求可能要對(duì)這些程序進(jìn)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(jì)/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(jì)算機(jī)PC接口板
6. 帶校準(zhǔn)光電探測(cè)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(jī)械手的定制數(shù)字I/O線
8. 用于連接測(cè)試設(shè)備與DUT和光電探測(cè)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(jì)/高電阻系統(tǒng)
3. 7001型（或7002型）開(kāi)關(guān)主機(jī)
4. 7011型四1x10多路復(fù)用卡（每個(gè)卡可支持20對(duì)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(jì)算機(jī)PC接口板
8. 用于連接測(cè)試設(shè)備與待測(cè)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(jì)算機(jī)PC接口板
6. 安裝在測(cè)試夾具中的經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的光電探測(cè)器
7. 用于連接測(cè)試設(shè)備與待測(cè)器件的定制線束
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