LEDs testen erfordert einen ausgeklügelten Plan.Rocco Herrmann/Fotolia.de
Hersteller von Licht-emittierenden Dioden, wie LEDs ausgeschrieben heißen, können durch umfangreiche Forschungs- und Entwicklungsanstrengungen heute Bauteile herstellen, die sich durch einen hohen Lichtstrom, lange Lebensdauer, große Chrominanz (Farbsättigung plus Farbton) und ausreichend Lumen pro Watt für die meisten Anwendungen auszeichnen. Der Test dieser LEDs erfordert unterschiedliche Testfolgen in allen Produktionsstufen, also während der Forschung und Entwicklung, On-Wafer-Messungen während der Produktion und schließlich einen Endtest der fertigen Bauteile im Gehäuse. Obwohl der Test von LEDs normalerweise sowohl elektrische, als auch optische Messungen umfasst, konzentriert sich dieser Artikel auf die elektrische Charakterisierung, einschließlich der benötigten optischen Messverfahren.
Bild 1 zeigt die elektrische I-U-Kurve einer typischen Diode. Ein kompletter Test könnte sehr viele Spannungswerte und Stromarbeitspunkte umfassen, wobei zur Beurteilung meist eine eingeschränkte Anzahl von Punkten ausreicht.
Bild 1: Typische DC-I-U-Kurve und Prüfpunkte einer LED.Alle Bilder: Keithley
Viele Tests erfordern die Einspeisung eines bestimmten Stroms und die Messung einer Spannung; andere dagegen die Einspeisung einer Spannung und die Messung des resultierenden Stroms. Daher sind schnelle Messinstrumente mit integrierten, synchronisierten Einspeise- und Messmöglichkeiten ideal für derartige Tests.
Test der Durchlassspannung
Beim Test von LEDs wird u.a. die Durchlassspannung (VF) gemessen. Wird ein Strom in Durchlassrichtung an die Diode angelegt, beginnt sie zu leiten. Wird der Strom durch die Diode langsam erhöht, dann steigt der Spannungsabfall über der Diode anfangs rasch an, bei weiter steigendem Strom ändert sich die Steilheit dann aber kaum noch. Normalerweise arbeitet eine Diode bei einer relativ konstanten Spannung. Daher sollte eine Diode auch unter diesen Betriebsbedingungen geprüft werden. Der Test der Durchlassspannung (VF) erfolgt, indem ein Strom eingespeist und der jeweils resultierende Spannungsabfall über der Diode gemessen wird. Der typische Teststrom liegt im Bereich von einigen zehn Milliampere bis hin zu mehreren Ampere, wobei sich eine resultierende Spannung von wenigen Volt ergibt. Einige Hersteller nutzen die Ergebnisse dieser Prüfung auch zur Sortierung, da die Durchlassspannung etwas über die Chrominanz (Farbqualität, charakterisiert durch die dominierende oder komplementäre Wellenlänge sowie die Farbreinheit) der LED aussagt.
Optische Tests
Das Anlegen eines Durchlassstroms wird auch für optische Tests genutzt, da die Lichtmenge vom Stromfluss abhängig ist. Die optische Leistung lässt sich mit Hilfe einer Fotodiode oder mit einem Kugelfotometer messen, wobei der Sensor nahe am Testobjekt sein muss, um die abgestrahlten Photonen erfassen zu können. Das Licht wird dabei in einen Strom umgewandelt, der mit einem Amperemeter oder einem Kanal eines Sourcemeter-Instrumentes gemessen werden kann. Wird ein fester Stromwert eingespeist, dann lassen sich bei vielen Testanwendungen die Spannung und die Lichtausbeute der Diode gleichzeitig messen. Außerdem können zudem Details wie spektrale Ausgangsleistung mit Hilfe eines Spektrometers ermittelt werden.
Durchbruchspannung in Sperrrichtung
Das Anlegen eines negativen Vorspannungsstroms an die LED ermöglicht den Test der sogenannten Durchbruchspannung in Sperrrichtung (VR). Der Teststrom sollte so eingestellt werden, dass bei einer weiteren Stromerhöhung der gemessene Spannungswert nur noch wenig ansteigt. Bei höheren Spannungen führt eine weitere Erhöhung des Durchbruchstromes nur noch zu geringfügigen Änderungen der Sperrspannung. Im Datenblatt wird für diesen Parameter üblicherweise ein Minimalwert angegeben. Bei diesem Test wird ein kleiner Vorspannungsstrom für eine bestimmte Zeit eingespeist und dabei der Spannungsabfall über der LED gemessen. Das Messergebnis liegt normalerweise im Bereich einiger zig Volt.
Leckstrom-Prüfung
Die Messung des Leckstroms (IL) erfolgt normalerweise mit einer Spannung von einigen wenigen Volt bis einigen zig Volt. Beim Leckstrom-Test wird ein kleiner Strom gemessen. Dieser fließt durch die LED, wenn eine Sperrspannung angelegt wird, die kleiner als die Durchbruchsspannung ist. In der Produktion wird normalerweise darauf geachtet, dass bei Leckstrommessungen und besonders auch bei Isolationsmessungen ein gewisser Grenzwert nicht überschritten wird. Dies hat zwei Gründe. Erstens erfordert eine Messung von kleinen Strömen eine längere Einschwingzeit, somit dauern diese auch länger. Zweitens haben Umgebungsinterferenzen und elektrische Störungen einen stärkeren Einfluss auf kleine Signale, so dass eine sorgfältige Abschirmung benötigt wird. Diese zusätzliche Abschirmung macht den Testadapter komplizierter und kann automatische Handler beeinträchtigen.
Intelligente Instrumente gewährleisten einen höheren Testdurchsatz in der LED-Produktion
Früher erfolgte die Steuerung der Tests in einem LED-Produktionstestsystem komplett durch einen PC. In jedem Testschritt wurden die Quellen und Instrumente jeweils neu konfiguriert, dann wurde die gewünschte Aktion ausgeführt und schließlich die Messdaten an den Steuer-PC weitergegeben. Der Steuer-PC musste die Daten entsprechend der Pass/Fail-Kriterien auswerten und anschließend die entsprechende Aktion zur Sortierung der Testobjekte veranlassen. Jeder übertragene und ausgeführte Befehl kostet wertvolle Produktionszeit und reduziert den Durchsatz. Damit entfiel ein großer Teil der Testzeit auf die Übertragung von Informationen von und zum PC.
Im Gegensatz hierzu können moderne intelligente Instrumente, wie beispielsweise die System Sourcemeter der Serie 2600, durch eine Reduzierung des Datenverkehrs über den Kommunikationsbus den Durchsatz bei komplizierten Testfolgen deutlich erhöhen. Bei diesen Geräten kann ein großer Teil der Testfolgen direkt in das Instrument verlagert werden. Diese Aufgabe erledigt der Test Script Prozessor (TSP), eine komplette Test Sequence Engine, die eine vollständige Steuerung der Testfolgen mit internen Pass/Fail-Kriterien, mathematischen Funktionen, Berechnungen und eine Steuerung digitaler I/Os erlaubt. Der TSP kann eine vom Anwender definierte Testfolge im Speicher ablegen und sie dann jederzeit auf Befehl ausführen. Damit lassen sich der Setup-Aufwand und die Konfigurationszeit für jeden Testschritt reduzieren und der Durchsatz durch die Reduzierung der Kommunikation zwischen den einzelnen Instrumenten und dem PC erhöhen. Der Prozess für die Programmierung derartiger Instrumente ist relativ einfach: 1) Skript erstellen; 2) Skript in das Instrument laden; und 3) Skript abrufen. Skripte für die Geräte der Serie 2602A lassen sich mit der mit dem Instrument mitgelieferten Test Script Builder Software erstellen und in das Instrument laden. Die Skripte können aber auch von kundenspezifischen Programmen, die mit einem anderen Programm, wie Visual Basic oder Labview erstellt wurden, auf das Instrument geladen werden.
LED-Testsystem für einzelne Bauteile
Bild 2 zeigt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Testsystems für einzelne LED-Bauteile. Zur Automatisierung sind normalerweise ein PC und ein Bauteil-Handler – ein Prober-System für On-Wafer-Messungen – enthalten.
Bild2: Blockdiagramm eines LED-Testsystems für eine einzelne LED auf der Basis eines SourceMeter-Instruments.
Bei dieser Konfiguration dient der PC hauptsächlich zur Speicherung der Messdaten in einer Datenbank und damit zur Dokumentation der Tests. Ein weiterer Grund ist die jeweilige Konfiguration der Testfolgen für unterschiedliche Bauteile. Die Instrumente der Serie 2600A sind hinsichtlich der Unabhängigkeit vom PC-Controller einzigartig. Mit dem internen Test Script Prozessor lassen sich vollständige Prüfpläne erstellen, mit denen das Instrument dann selbstständig arbeiten kann. Dadurch lassen sich vollständige PASS/-FAIL-Testsequenz-Skripts erstellen, die anschließend über die Frontplatte des Modells 2602A ohne zusätzliche Programmierung des Instruments gestartet und ausgeführt werden können.
Ein Produktionstestsystem enthält in der Regel auch einen Bauteil-Handler, der die LEDs zum Testadapter transportiert, wo sie elektrisch kontaktiert werden. Der Adapter ist gegen Umgebungslicht abgeschirmt und beinhaltet einen Fotodetektor (PD) für Lichtmessungen. Bei einem derartigen Aufbau reicht ein einziges zweikanaliges System-SourceMeter-Instrument Modell 2602A für beide Verbindungen aus. Dabei erzeugt die Source Measure Unit A (SMUA) das Testsignal für die LED und misst die elektrische Reaktion, während das SMUB die Fotodiode während der optischen Messungen überwacht.
Die Testfolge muss so programmiert werden, dass der Test beginnt, sobald der Bauteil-Handler über eine digitale Leitung das Startsignal (SOT – Start of Test) liefert. Erkennt das SourceMeter-Instrument das SOT-Signal, dann wird mit den Tests für die Charakterisierung der LED begonnen.
Nachdem alle elektrischen und optischen Tests abgeschlossen sind, erhält der Bauteil-Handler über eine digitale Leitung die Meldung „Messungen abgeschlossen“. Außerdem lassen sich durch die integrierte Intelligenz des 2602A alle Pass/Fail-Operationen ausführen. Über den digitalen I/O-Port des Instruments wird dann ein digitaler Befehl zum Bauteil-Handler gesendet, so dass dieser die LED entsprechend den Pass/Fail-Kriterien sortieren kann. Dann erfolgen zwei Aktionen gleichzeitig: die Daten werden zum PC für die statistische Prozesssteuerung (SPC) übertragen und ein neues Testobjekt (DUT) wird in den Testadapter eingelegt.
LED-Testsystem für mehrere Bauteile/Arrays
Beim Test mehrerer Bauteile, wie beispielsweise bei einem Burn-in, werden mehrere Teile gleichzeitig über einen bestimmten Zeitraum gemessen. Die Testobjekte werden mit einem kontinuierlichen Strom angesteuert, während mehrere Lichtsensoren über einen Multiplexer auf ein Amperemeter geschaltet werden. Die Auswahl des Schaltsystems und des Amperemeters sind vom Dynamikbereich der elektrischen Ströme abhängig.
Für den Test mehrerer LEDs sind verschiedene Schaltsysteme verfügbar. Beispielsweise das System-Schalt/Multimeter Modell 3706 mit sechs Steckplätzen, das bis zu 576 Multiplex-Kanäle oder 2688 Matrixpunkte enthalten kann. Wie die Instrumente der Serie 2600A beinhaltet es einen integrierten TSP und einen TSP-Link Kommunikations-/Trigger-Bussystem, über die sich diese Instrumente schnell und einfach in ein System integrieren lassen. Diese Integration ermöglicht eine straffe Synchronisation der Instrumente, so dass diese über ein einziges Testskript gesteuert werden können. Bild 3 zeigt einen Bauteiltester für drei LEDs mit nur einem PD-Kanal.
Bild3: Blockdiagramm eines Testsystems für LED-Arrays mit skalierbarer Kanalanzahl auf der Basis eines Sourcemeter-Instrument Modell 2602A.
Minimierung von LED-Testfehlern
Zu den gängigen Ursachen für Messfehler beim Test von LEDs in der Produktion gehören u.a. der Leitungswiderstand, Leckströme, elektrostatische Interferenzen und Licht-Interferenzen. Eine der häufigsten Fehlerursachen ist aber die Eigenerwärmung der Sperrschicht. Zwei der Tests sind besonders durch diese Sperrschicht-Erwärmung beeinflussbar: die Prüfung der Durchlassspannung und des Leckstroms. Mit zunehmender Erwärmung der Sperrschicht sinkt die Spannung, zudem nimmt der Leckstrom zu. Deswegen ist es wichtig, die Testzeit so kurz wie möglich zu halten, ohne dass aber Kompromisse hinsichtlich der Messgenauigkeit oder Stabilität notwendig sind.
Bei intelligenten Geräten mit integrierter Test Script Engine lässt sich die Wartezeit zwischen dem Anlegen des Stimulus-Signals und der Messung sowie die Zeit zur Erfassung des Eingangssignals einfach einstellen. Die Wartezeit ermöglicht, dass sich Schaltungskapazitäten vor der Messung entsprechend aufladen können. Die Messintegrationszeit wird über die der Anzahl der Netzspannungsperioden (NPLC) bestimmt. Bei einer Netzfrequenz von 60Hz würde eine 1NPLC-Messung einer 1/60 Sekunde oder 16,667 ms entsprechen. Diese Integrationszeit definiert, wie lange der AD-Wandler (ADC) das Eingangssignal erfasst, wodurch ein Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Genauigkeit möglich ist.
Typische Wartezeiten reichen beim VF-Test von einigen hundert Mikrosekunden bis hin zu fünf Millisekunden und beim IL-Test von fünf bis 20 Millisekunden. Bei derartig kurzen Testzeiten lassen sich Fehler aufgrund der Sperrschicht-Erwärmung weitgehend ausschließen. Zudem lässt sich die Charakteristik der Sperrschicht-Erwärmung einfach mit einer Testfolge bestimmen, bei der die Testzeit verändert wird.
Um die Testzeit und damit die Erwärmung der Sperrschicht weiter zu reduzieren, unterstützen die Instrumente der Serie 2600A auch einen Impuls-Betrieb. In diesem Modus kann der Quellen-Ausgang zeitlich sehr genau gesteuert werden. Eine Impulsbreitenauflösung von einer Mikrosekunde ermöglicht eine sehr genaue Steuerung der an das Bauteil angelegten Leistung. Im Impulsbetrieb erreichen die Instrumente zudem deutlich höhere Ausgangsströme als im DC-Betrieb. Zum Beispiel kann das 2602A einen DC-Strom von 3 Ampere bei 6 Volt ausgeben. Im Impulsbetrieb kann das Gerät bis zu 10A bei 20V liefern.
(uns)
