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鑒定微型和超微型 LED 的主要考慮因素

本文作者:戈比納特-泰米爾       點擊: 2024-09-27 10:15
前言:
如圖 1 所示,發光二極體 (LED) 的能效高、壽命長、用途廣,因此在各種應用中廣受歡迎,包括家庭、辦公室、汽車和電子顯示幕的照明光源。 LED 技術不斷進步,以滿足不斷發展的需求。 這種進步涉及集成先進功能,如智慧照明與物聯網(IoT)技術,以及通過提高發光效率、熱量管理和整體性能來提高 LED 照明或指示燈的效率。 此外,顯示技術的不斷發展旨在提高 LED 顯示器(如由數千個 LED 組成的迷你和微型 LED)的對比度、能效和解析度。 
 
與有機發光二極體(OLED)和液晶顯示器(LCD)技術相比,微型 LED 具有更高的亮度、更高的效率以及集成感測器等附加功能的能力等顯著優勢。 然而,由於其生產成本高、技術複雜,其應用主要局限於增強現實(AR)/虛擬實境(VR)顯示器、汽車照明和透明顯示器等利基市場。 這些改進推動了對用於評估LED特性的測量系統的需求不斷增長。 
圖 1.各種應用中的 LED
 
LED 的主要電氣特性
在開發或製造 LED 時,瞭解其電氣、光學和光-電流-電壓 (LIV) 特性對確保最佳性能和功能至關重要。 瞭解電氣特性可確保LED在指定的電壓和電流範圍內工作,這對電路設計至關重要。 反之,光學特性則有助於深入了解發光品質,包括亮度、色彩精度和分佈。 LIV 特性為了解光輸出、電流和電壓之間的關係提供了寶貴的資訊,有助於優化操作參數以提高能效。 表 1 列出了 LED 的電氣特性; 圖 2 顯示了 IV 特性和熱特性。

表 1.LED 的主要電氣特性

VF:正向電壓

正向電壓是打開LED所需的電壓。 評估時,施加 IF(正向電流)並測量電壓 VF。

IR : 反向電流

反向電流是指反向偏壓下的洩漏電流。 電流通常較小,例如小於 1 μA; 但這取決於LED的類型。 為進行評估,請施加 VR (反向電壓)並測量電流 IR 。

IV 曲線

正向和反向偏壓下的IV曲線表示不同工作條件下的行為。 評估時,可掃描電壓(或電流)並測量電流(或電壓)。 在大電流下進行正向鑒定時,與直流掃描不同,脈衝掃描可防止自熱效應。

熱特性

熱管理非常重要,因為它有助於減輕LED p-n結產生的熱量。 要準確描述這種熱行為,需要施加長脈衝電流並測量瞬態電壓。

 
圖 2.LED 的電流-電壓和熱特性

使用光源/測量裝置進行LED特性分析 
LED 測試通常使用源/測量單元 (SMU) 來實現各種目的,包括作為精確的 IV 源和測量工具來評估電氣特性。 源/測量單元還可用作精密偏置源,用於評估與光學儀器同步的光學和 LIV 特性。 SMU 是一種多功能儀器,集電流源、電壓源、電流錶和電壓表的功能於一身。 SMU 可在這些功能之間無縫切換,並準確測量電流和電壓輸出。 
 
內部反饋電路使SMU即使在負載條件發生意外變化時也能保持穩定性和準確性。 這種可靠性使 SMU 成為鑒定 LED 等半導體器件的首選工具。 圖 3 展示了一個典型的設置,說明 SMU 如何與光學儀器同步,作為精密偏置源進行光學和光電流-電壓特性分析。
 
圖 3.典型的 LED 表征設置

然而,隨著 LED 技術的發展以滿足日益增長的需求,LED 設備和應用(如迷你和微型 LED)的演變要求 SMU 能夠滿足日益嚴格的要求。 
 
挑戰
以下是工程師完成精確測試必須克服的主要挑戰。 主要挑戰包括空間和密度限制、精度要求和系統開發複雜性。
 
挑戰 1:工作人員-管理層單位的數量和空間需求不斷增加
要有效評估每個由數千個 LED 組成的微型或小型 LED,需要大量 SMU 通道和大量空間,因此需要進行並行 IV 測試。 在對多個 LED 進行耗時測試時,這種方法還能有效提高測試輸送量。 不過,並行IV測試雖然能提高測試輸送量,但也需要SMU佔用大量空間。
 
挑戰 2:測量儀器性能要求 
隨著對先進 LED 的需求不斷增長,需要更高的精度,尤其是在低電流、脈衝或瞬態測量中。 在測試小電流、低反向電流時,精確的靈敏度至關重要,以防止雜訊干擾這些測量。 窄脈衝IV不足會因自熱而影響正向特性。 此外,在脈衝IV或熱測試期間,有限的瞬態測量能力可能會妨礙捕捉電流或電壓瞬態。 有些SMU整合了內置脈衝發生器和數位轉換器。 然而,它們的性能可能無法滿足所需要求。 在這種情況下,有必要使用外部脈衝發生器或數位轉換器。
 
挑戰 3:測試序列和物理連接的複雜性不斷增加
在進行同步光學測試時,或在進行脈衝或瞬態測量時,內部或外部脈衝發生器和數位轉換器之間需要在光學儀器和 SMU 之間實現精確同步。 這些要求導致更高的儀器控制和布線複雜性。 隨著SMU通道數量的增加,精確同步變得更加重要。 從測試軟體開發的角度來看,整個測試設置的自動化進一步增加了複雜性。
 
解決方案 
要克服 LED IV 測試中的多方面挑戰,工程師必須尋找一種能夠應對所有這些挑戰的多功能光源/測量單元。 以下是為LED測試選擇SMU時的三大考慮因素,它們是應對每項挑戰的關鍵。
 
解決方案 1: 採用高密度緊湊型 SMU 
利用高通道密度 SMU 外形,工程師可以節省寶貴的機架空間,最大限度地減少測試系統的佔地面積。 外形尺寸應側重於通道數量以及配置SMU通道類型和規格的靈活性。 一些靈活的 SMU 允許任何混合模組配置,以實現靈活的可擴充性。 
 
解決方案 2: 使用高精度 SMU
有些 SMU 設計有超高精度功能,可在從反向偏壓到正向偏壓的整個 LED 偏置範圍內進行精確的 IV 特性分析。 特別是對於大功率 LED,SMU 的窄脈衝功能可在進行 IV 特性分析的同時最大限度地減少自熱。 
 
在熱測試中,速度更快的數位化儀和靈活的觸發系統可以捕捉熱引起的瞬態,從根本上消除器件自熱或雜訊問題引起的任何測量誤差。 圖 4 是正向和反向偏置電壓的 IV 曲線掃描範例。 圖 5 顯示了脈衝瞬態回應方法,以最大限度地減少器件自熱效應。 
 
圖 4.帶有正向和反向偏置的 LED 的 IV 曲線
 
 
圖 5.利用脈衝 IV 特性最大限度地減少器件自熱
 
解決方案 #3:採用帶有智慧觸發系統的SMU
帶有智慧觸發系統的單箱解決方案可簡化儀器控制,並使每個SMU和外部光學儀器的布線同步。 集成了脈衝發生器和數位轉換器功能的一體化 SMU 可有效減少所需的測試儀器和系統佔地面積。 該系統無需額外的佈線和手動同步,從而解決了在小空間內進行並行IV測試的難題。
結論
Micro-LED 技術不斷進步,但在成為主流技術之前仍面臨著需要解決的重大障礙。 隨著各種應用對微型 LED 的需求不斷增長,製造商在精密 IV 測試解決方案方面面臨著多重挑戰。 要克服這些挑戰並在不斷增長的 LED 市場中獲得競爭優勢,為 IV 測試解決方案選擇正確的 SMU 非常重要。 合適的 SMU 可以成為應對 IV 表徵挑戰的工具,包括光學測試中的密度、精度、同步和偏差。 多功能、高精度的SMU對確保LED的可靠性和高性能至關重要。

關於作者
 
戈比納特-泰米爾-瓦南 
產品營銷經理 
凱世特科技公司 
 
Gobinath 畢業於斯威本科技大學,獲得電氣與電子工程學位,在半導體、航空航太與國防、汽車行業以及自動化測試領域擁有超過 9 年的工作經驗。 在 Keysight,他與現場工程師、產品經理和研發工程師密切合作,確保行業內所有相關的客戶需求都能儘早得到滿足,從而幫助客戶取得成功,並解決測試和測量方面的巨大挑戰。 
 

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