作者：是德科技产品营销经理 Gobinath Tamil Vanan
由于发光二极管 (LED) 具备能效高、寿命长、用途广等优势,因此在各种应用中广受欢迎,正如图1所示,可应用在家庭、办公室、汽车和电子显示屏等应用场景中。LED 技术不断进步,以满足不断发展的需求。这种进步包括集成先进功能,如智能照明与物联网(IoT)技术,以及通过提高发光效率、热量管理和整体性能来提高 LED 照明或指示灯的效率。此外,显示技术的不断发展旨在提高 LED 显示器(如由数千个 LED 组成的迷你和微型 LED)的对比度、能效和分辨率。
与有机发光二极管(OLED)和液晶显示器(LCD)技术相比,微型 LED在亮度、效率以及集成传感器等附加功能方面更具优势。然而,由于其生产成本高、技术复杂,其应用主要局限于增强现实(AR)/虚拟现实(VR)显示器、汽车照明和透明显示器等利基市场。这些改进推动了对用于评估 LED 特性的测量系统的需求不断增长。
图 1. 各种应用领域中的 LED
LED 的主要电气特性
在开发或制造 LED 时,了解其电气、光学和光-电流-电压 (LIV) 特性对确保最佳性能和功能至关重要。了解电气特性可确保 LED 在规定的电压和电流范围内工作,这对电路设计至关重要。反之,光学特性则有助于深入了解发光的质量,包括亮度、色彩精度和分布。LIV 特性为了解光输出、电流和电压之间的关系提供了宝贵的信息,有助于优化操作参数以提高能效。表 1 列出了 LED 的电气特性;图 2 显示了 IV 特性和热特性。
表 1. LED 的主要电气特性
图 2. LED 的电流-电压和热特性
使用光源/测量装置进行 LED 特性分析
LED 测试通常使用源/测量单元 (SMU) 来进行各种测试,包括作为精确的 IV 源和测量工具来评估电气特性。源/测量单元还可用作精密偏置源,用于评估与光学仪器同步的光学和 LIV 特性。SMU 是一种多功能仪器,集电流源、电压源、电流表和电压表的功能于一身。SMU 可在这些功能之间无缝切换,并准确测量电流和电压输出。
内部反馈电路使 SMU 即使在负载条件发生意外变化时也能保持稳定性和准确性。这种可靠性使 SMU 成为表征LED 等半导体器件的首选工具。图 3 展示了一个典型的设置,说明了SMU 如何与光学仪器同步,作为精密偏置源进行光学和光电流-电压特性分析。
图 3. 典型的 LED 表征设置
然而,随着 LED 技术的进步以满足日益增长的需求,LED 设备和应用(如迷你和微型 LED)的发展需要SMU 能够满足日益严格的要求。
挑战
以下是工程师为实现精确测试必须克服的主要挑战。主要挑战包括空间和密度限制、精度要求和系统开发复杂性。
挑战 1:SMU的数量和空间需求不断增加
为了有效评估每个由数千个 LED 组成的微型或小型 LED,需要大量的SMU 通道和充足的空间,因此需要进行并行 IV 测试。在对多个 LED 进行耗时测试时,这种方法还能有效提高测试吞吐量。不过,并行 IV 测试虽然能提高测试吞吐量,但也需要 为SMU 提供充足的空间。
挑战 2: 测量仪器性能要求
随着对先进 LED 的需求不断增长,对精度的要求也越来越高,尤其是在低电流、脉冲或瞬态测量中。在测试小电流、低反向电流时,精确的灵敏度至关重要,以防止噪声干扰这些测量。窄脉冲 IV 不足会因自热而影响正向特性。此外,在脉冲 IV 或热测试期间,有限的瞬态测量能力可能会妨碍捕捉电流或电压瞬态。有些 SMU 集成了内置脉冲发生器和数字转换器。然而,它们的性能可能无法满足所需要求。在这种情况下,就必须使用外部脉冲发生器或数字转换器。
挑战 3: 测试序列和物理连接的复杂性不断增加
在进行同步光学测试时,或在进行脉冲或瞬态测量时,内部或外部脉冲发生器和数字转换器之间需要在光学仪器和 SMU 之间实现精确同步。这些要求导致仪器控制和布线复杂性增加。随着 SMU 通道数量的增加,精确同步变得更加重要。从测试软件开发的角度来看,整个测试设置的自动化进一步增加了复杂性。
解决方案
为了克服 LED IV 测试中的多方面挑战,工程师必须寻找一种能够应对所有这些挑战的多功能光源/测量单元。以下是为 LED 测试选择 SMU 时需要考虑的三大因素,它们是应对每项挑战的关键。
解决方案 1: 采用高密度紧凑型 SMU
凭借高通道密度的SMU 外形,工程师可以节省宝贵的机架空间,并最大限度地减少测试系统的占地面积。外形尺寸应侧重于通道数量以及配置 SMU 通道类型和规格的灵活性。一些灵活的 SMU 允许任何混合模块配置,以实现灵活的可扩展性。
解决方案 2: 使用高精度 SMU
有些 SMU 设计具有超高精度功能,可在从反向偏压到正向偏压的整个 LED 偏置范围内进行精确的 IV 特性分析。特别是对于大功率 LED,SMU 的窄脉冲功能可在进行 IV 特性分析的同时最大限度地减少自热。
在热测试中,速度更快的数字化仪和灵活的触发系统可以捕捉热引起的瞬态,从根本上消除器件自热或噪声问题引起的任何测量误差。图 4 是正向和反向偏置电压的 IV 曲线扫描示例。图 5 显示了脉冲瞬态响应方法,以最大限度地减少器件自热效应。
图 4. 带有正向和反向偏置的 LED 的 IV 曲线
图 5. 利用脉冲 IV 特性最大限度地减少器件自热
解决方案 #3: 采用带有智能触发系统的 SMU
带有智能触发系统的单箱解决方案可简化仪器控制,并使每个 SMU 和外部光学仪器的布线实现同步。集成了脉冲发生器和数字转换器功能的一体化 SMU 可有效减少所需的测试仪器和系统占地面积。该系统无需额外的布线和手动同步需求,从而解决了在小空间内进行并行 IV 测试的难题。
结论
Micro-LED 技术不断进步,但在成为主流技术之前仍面临着需要解决的重大障碍。随着各种应用对微型 LED 的需求不断增长,制造商在精密 IV 测试解决方案方面面临着多重挑战。要克服这些挑战并在不断增长的 LED 市场中获得竞争优势,为 IV 测试解决方案选择正确的 SMU 非常重要。合适的 SMU 可以成为应对 IV 表征挑战的工具,包括光学测试中的密度、精度、同步和偏置。多功能、高精度的 SMU 对确保 LED 的可靠性和高性能至关重要。
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