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“半導體發光二極管測試方法”推介

來源:作者:浙江大學 鮑超  發布時間:2011-09-16

1.概述

    發光二極管(LED)已有50年的歷史,近年來,隨著新型發光材料不斷出現,新器件和新應用層出不窮。給發光二極  管及其應用產品測試和相關標準制定的工作帶來了新挑戰。早在1969年,我國長春光機與物理研究所就研制出國內第一只GaAsP紅色發光二極管,開創了我國發光二極管研究的先河,僅比國際上晚半年。

        20世紀70年代,LED的應用獲得較大發展,在我國逐步形成產業。為了統一測試方法,我國上世紀80年代制定了兩個行業標準: SJ235383半導體發光器件測試方法和SJ265886半導體紅外發光二極管測試方法,初步確立了LED計量測試基本準則,但僅限于LED電學、光度和輻射度參數。

        90年代初我國同步采用IEC標準,制定國標: GB/T156511995半導體器件 分立器件和集成電路 第五部分:光電子器件。這些標準和IEC的標準基本一致,作為一個PN結半導體器件,國際電工委員會(IEC)已經制定的LED的測試方法的內容包括在光電器件總規范、額定值和特性、分規范、測試方法以及環境、耐久性和機械試驗方法和顯示用發光二極管空白詳細規范等方面,但這些標準主要是針對顯示用半導體發光二極管制定的。

       1994,氮化鎵基藍、綠光AlGaInN-LED的出現是LED發展史上的一個重大突破。它使戶外全彩色顯示和半導體照明成為可能。上世紀九十年代后幾年,我國LED開發和生產企業迅速增加,上、中、下游各主要企業都集聚在中國光學光電子行業協會光電器件分會(包括LED顯示屏專委會)的旗幟下,各種LED的應用如雨后春筍般地涌現出來。廣大科技人員感覺到,研發和生產LED已經涉及到更多的學科,急需要統一的新測試方法和相應更新的標準?;谶@樣的考慮,光電器件分會成立了班子,開始研究和起草“半導體發光二極管測試方法”行業標準。

    作為行業標準,新標準于2001年經光電器件分會研究討論后確定在本行業內試用,收集使用后的各種意見,每年進行修改,再在行業內進一步試用。頭幾版稿篇幅較大,一些引用的標準和基礎知識部分內容也包括在內,主要目的在于方便大家閱讀和使用,可在正式定稿時刪去。

    在國際上,國際照明委員會(CIE)專門成立了“TC2-45 LED測量”和“TC2-46 CIE/ISO 關于LED強度測量標準”兩個技術委員會專門化小組來研究解決相應的問題,并于1997年發表了127文件“LED測量”(2007年作了修訂)。CIE127文件建議采用“平均LED強度”的概念;提出了CIE標準測試條件AB;用色度學的方法測試和評價LED。IECCIE標準均未涉及LED的熱學參數,而這正是LED作為照明光源能否達到高發光效率、長壽命的關鍵問題。

    近年來,由于具有壽命長、光效高、能耗低、無輻射、無污染等特點,LED已從顯示用電子元件發展成節能環保的新型綠色光源,被廣泛應用于照明領域,我國半導體照明產業也獲得蓬勃發展。2003年啟動國家半導體照明工程,信息產業部于 2005 11 月成立“半導體照明技術標準工作組”,隨后行業試行標準“半導體發光二極管測試方法”在信息產業部標準化研究所領導和指導下在標準工作組內討論、修改定稿,并正式報批相關部門審查,于2009年批準實行。

2.標準的基本內容

     本標準代替 SJT 2355.12355.71983《半導體發光器件測試方法》系列標準,與SJT 23551983 相比主要變化如下。

1)本標準規定了半導體發光二極管電學、輻射度學、光度學、色度學參數、熱學參數的術語和測試方法以及靜電放電敏感性的測試和分類。

2)采用國際照明委員會 CIE 127-1997技術報告《LED 測量》中建立的平均LED 強度的概念和測量規范來替代原先建立在點光源基礎上的發光強度測量方法。

2.1 本標準適用范圍

    本標準適用于可見光、白光半導體發光二極管。鑒于紫外發光射二極管、紅外發光二極管測試原理相同,只是測試用探測器光譜范圍不同,因此,它們的相關測試可以參考本標準。半導體發光組件和芯片的測試也可參考執行。

2.2 本標準術語、定義和符號

       GB/T 4365、GB/T 5698、GB/T 11499、GB/T 15651 確立的術語、定義和符號適用于本標準。本標準定義的術語、定義和符號包括:輻射能、光量、平均LED強度、光譜功率(能量)分布、熱阻、結-管殼熱阻、結-環境熱阻、靜電放電電壓敏感值、靜電放電耐受電壓、靜電放電試驗器、人體模式靜電放電、機器模式靜電放電。

2.3 本標準一般要求

    本標準規定了試驗的標準大氣條件、仲裁試驗的標準大氣條件以及其他環境條件。

2.3.1 環境條件

    除非另有規定,其他環境條件應按下列規定:

1)測量環境應無影響測試準確度的機械振動、電磁和光照等干擾;

2)除非另有規定,器件全部光電參數均應在熱平衡下進行(要有足夠測試預熱時間);

3)測量系統應接地良好。

2.3.2 測量條件(允許偏差)

    除非另有規定,測量條件應符合下列規定:

1)偏置條件應在規定值的±1%以內;

2)輸入脈沖頻率和占空比的允許偏差應在±2%以內。

2.3.3 測量設備

    測量設備的不確定度應符合相關規范的技術要求并檢定合格。在檢定周期內,按有關操作規程進行測量。

本標準般要求中的測量條件是行標試用期間爭論最多的項目。生產研發企業希望能盡量多沿用目前本企業中的設備,包括一些自制實驗儀器;而儀器供應商總想提高測試精度要求,有利于淘汰舊設備。經過多次討論后研究決定,提高偏置條件(包括電參數)到±1%以內,擱置提出的1‰的要求,暫時擱置光參數。

2.4 測試方法

    測試方法分為:1 000 電特性測量方法;2 000 類 光特性測量方法;3 000 光電特性測量方法;4 000 顏色特性測量方法;5 000 熱學特性測量方法;6 000 靜電放電敏感性測試和分類。

3.本測試方法標準中重點內容解析

3.1  1 000  電特性測試方法

    主要包括:正向電壓、反向電壓、反向電流及總電容四個參數,標準中給出了基本的測試原理圖,但在實際測試中,尤其在功率LED器件測試時,除電流源精度要達到±1%外,測試電流有時較大,使得導線上的電阻及接觸電阻會產生一個較大的壓降,從而影響測試準確度。

3.2  2 000   光特性測量方法

        LED光特性測試主要涉及發光強度和輻射強度、光通量和輻射通量及光譜能量分布等參數。早先測量LED時把被測器件看做點光源來處理,在光度學中,有一定尺寸大小的余弦輻射源和探測器之間的距離只要與被測源半徑之比大于10以上,則可將被測源看作點光源??刹捎镁嚯x平方反比定律來測量計算發光(輻射)強度,CIE把這叫做“遠場”條件。在有些條件下,LED管殼出窗和和探測器之間的距離相對較小,LED封裝管殼實際上還起擴展面積作用;實際上許多LED光(輻射)強度分布曲線不均勻也不對稱,差異很大;有強烈指向性的發光二極管,不具有余弦輻射特性。因此,不能采用距離平方反比定律來測量計算發光(輻射)強度,以致使LED輻射不再能當作點光源來處理。LED的輻射空間圖形取決于離它的距離。CIE把這叫做近場”條件。

    對于LED測量,探測器面積足夠大,光度探測器在離LED有限距離測量得到的不是真實的光度學定義的發光強度,而是代表了在探測器與LED之間構成的立體角內測量得到的平均發光強度(近場條件)。為解決LED測試差異大問題,CIE推薦采用“平均LED強度”概念,規定了CIE標準測試條件AB。光度探測器放在被測LED距離100mm處為標準條件B,放在316mm處則為標準條件A。在這兩種條件下,所用的探測器要求有一個面積為100mm2(相應直徑為11.3mm)的園入射孔徑。

    要準確測量LED的 光和輻射通量必須要把它所發射的光輻射能量通過積分光度球收集起來,然后用位于球壁的光探測器把他們線性地轉換成光電流,再通過定標確定被測量的大小。被 測器件和光度球漫射屏開孔的面積和球面積比較應該相對較小,球內壁和漫射屏表面應有均勻的高反射率漫反射鍍層。同時要考慮到峰值發射波長和光通量由于功率 消耗產生的變化。球和光度探測器組合該得到校準和標定。

3.3  3 000 光電特性測量方法

    把規定的直流和脈沖電流加到被測器件,用測量用光電二極管組成的測量系統測量開關時間就可以得到LED光電特性。光電二極管的開關時間,實驗電路和測量儀器的延遲時間,輸入電流脈沖的上升時間和下降時間都應該足夠短以保證不影響測量精度。

3.4  4 000 顏色特性測量方法

    色度學是研究顏色理論及其度量的學科。關于顏色的測量和標準應該符合人眼的觀測結果。CIE1931XYZ色度系統是色度學基礎 .    

    測量LED顏色特性可以采用濾波器和光探測器組合光譜響應與CIE標準色度觀測者光譜三刺激值 , 一致的光電色度探測器(積分法)直接測量被測LED器件的色度坐標;但目前主要是采用分光光度法測量被測LED器件的光譜能量分布進而得到CIE標準色度系統色度坐標。本標準中涉及LED顏色特性的參數包括色度坐標、主波長和顏色刺激純度、色溫和相關色溫、色差及顯色指數。

    分光光度法中,LED顏色特性測試精度很大程度上取決于光譜測量的準確性。光譜測量時產生誤差的因數有:波長誤差、光譜帶寬、波長間隔、噪聲、雜散光、熒光、探測器線性度和光譜標準的精度等。光譜輻射度計測量時會有加寬測量光譜的效應,如10nm帶寬(FWHM)將使紅、藍LEDu′,v′色度坐標產生0.003誤差,綠色0.002誤差。CIE推薦使用≦5nm帶寬。另外,掃描間隔對峰值波長和光譜帶寬也特別重要;有人推薦:2.5nm間隔,一般要求:1nm。

    光譜測量時噪聲動態范圍和雜散光大小特別重要,特別在LED光譜范圍外,將引起大誤差。在u v LED中,熒光使測量不確定性增加。任何波長和光譜的不確定性都將轉化成色度量誤差。

        LED光譜和顏色應該用消雜散光性能好的儀器測量,可以獲得好的波長測量精度。采用雙單色儀、高靈敏度的光譜輻射度計可以得到高的測量精度。

3.5  熱學特性測量方法

        LED器件的熱學性能會直接影響到器件發光效率、強度、光譜特性、工作穩定性和使用壽命。采用標準化的方法進行測量,是半導體照明工程中的一項關鍵性工作。 本標準定義了結溫、熱阻、結對管殼熱阻、結對環境的熱阻等概念和建立了熱阻的串聯模型,LED熱學模型是估計和計算LED PN結結溫的實用工具。LED PN結內產生的熱量從芯片開始沿著PN結—反射腔—印刷板—空氣(環境)進行傳輸,總熱阻可以表示為從結-環境這一熱路(Thermal Path)中各個單個熱阻之和。本標準規定了熱阻的電學測試法,它利用在低正向電流時,LEDPN結的溫升和正向電壓增量成線性相關的原理,可以采用對被測器件施加不同電流加熱芯片、然后在小電流時測量結電壓增量和結溫升的關系從而確定結溫的方法。

    目前許多人認為,LED器件的輻射功率不對結溫產生影響,因此應該把輻射功率從總電功率中扣除,本標準未作明確規定,留有討論修改的余地。

3.6  靜電放電敏感性測試和分類

    在LED的制造和使用過程中,人體和器件接觸的機會最多,由人體靜電損傷造成器件失效的比例也最大。本標準采用人體HBM Human Body Model)和機器MM Machine Model)模式來試驗測試LED所能承受的靜電放電電壓等級。

本標準分別建立了模擬人體和機器對靜電能量進行存儲并將其對被測器件進行釋放的電路模型。規定了模擬電路中雙向脈沖發生器、電流傳感器(包括示波器)、評價和修正脈沖波形的負載的要求。靜電放電測試時要求一次至少使用三個樣本,每個樣本規定的靜態和動態參數都要事先進行測試并記錄。規定了靜電放電敏感性測試詳細步驟和分類表。

4.結束語

      SJT 11394-2009《半導體發光二極管測試方法》是源于行業協會標準再發展為國家相應標準的典型,已在行業中討論和試用一定時間,有廣泛的基礎。它已經由信息產業部于2009年 正式發布實施,使得半導體發光二極管有了統一的測試方法;可以規范半導體照明器件開發和應用產品市場推廣;樹立消費者對半導體照明產品的信心;指導半導體 照明產品標準檢測流程與方法的開發、改進和采用。為制造商與檢測機構間的信息交流渠道提供了基礎,對引導半導體照明產業健康發展具有重要意義。


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