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“半导体发光二极管测试方法”推介

来源:作者:浙江大学 鲍超  发布时间:2011-09-16

1.概述

    发光二极管(LED)已有50年的历史,近年来,随着新型发光材料不断出现,新器件和新应用层出不穷。给发光二极  管及其应用产品测试和相关标准制定的工作带来了新挑战。早在1969年,我国长春光机与物理研究所就研制出国内第一只GaAsP红色发光二极管,开创了我国发光二极管研究的先河,仅比国际上晚半年。

        20世纪70年代,LED的应用获得较大发展,在我国逐步形成产业。为了统一测试方法,我国上世纪80年代制定了两个行业标准: SJ235383半导体发光器件测试方法和SJ265886半导体红外发光二极管测试方法,初步确立了LED计量测试基本准则,但仅限于LED电学、光度和辐射度参数。

        90年代初我国同步采用IEC标准,制定国标: GB/T156511995半导体器件 分立器件和集成电路 第五部分:光电子器件。这些标准和IEC的标准基本一致,作为一个PN结半导体器件,国际电工委员会(IEC)已经制定的LED的测试方法的内容包括在光电器件总规范、额定值和特性、分规范、测试方法以及环境、耐久性和机械试验方法和显示用发光二极管空白详细规范等方面,但这些标准主要是针对显示用半导体发光二极管制定的。

       1994氮化镓基蓝、绿光AlGaInN-LED的出现是LED发展史上的一个重大突破。它使户外全彩色显示和半导体照明成为可能。上世纪九十年代后几年,我国LED开发和生产企业迅速增加,上、中、下游各主要企业都集聚在中国光学光电子行业协会光电器件分会(包括LED显示屏专委会)的旗帜下,各种LED的应用如雨后春笋般地涌现出来。广大科技人员感觉到,研发和生产LED已经涉及到更多的学科,急需要统一的新测试方法和相应更新的标准。基于这样的考虑,光电器件分会成立了班子,开始研究和起草“半导体发光二极管测试方法”行业标准。

    作为行业标准,新标准于2001年经光电器件分会研究讨论后确定在本行业内试用,收集使用后的各种意见,每年进行修改,再在行业内进一步试用。头几版稿篇幅较大,一些引用的标准和基础知识部分内容也包括在内,主要目的在于方便大家阅读和使用,可在正式定稿时删去。

    在国际上,国际照明委员会(CIE)专门成立了“TC2-45 LED测量”和“TC2-46 CIE/ISO 关于LED强度测量标准”两个技术委员会专门化小组来研究解决相应的问题,并于1997年发表了127文件“LED测量”(2007年作了修订)CIE127文件建议采用“平均LED强度”的概念;提出了CIE标准测试条件AB;用色度学的方法测试和评价LEDIECCIE标准均未涉及LED的热学参数,而这正是LED作为照明光源能否达到高发光效率、长寿命的关键问题。

    近年来,由于具有寿命长、光效高、能耗低、无辐射、无污染等特点,LED已从显示用电子元件发展成节能环保的新型绿色光源,被广泛应用于照明领域,我国半导体照明产业也获得蓬勃发展。2003年启动国家半导体照明工程,信息产业部于 2005 11 月成立“半导体照明技术标准工作组”,随后行业试行标准“半导体发光二极管测试方法”在信息产业部标准化研究所领导和指导下在标准工作组内讨论、修改定稿,并正式报批相关部门审查,于2009年批准实行。

2.标准的基本内容

     本标准代替 SJT 2355.12355.71983《半导体发光器件测试方法》系列标准,与SJT 23551983 相比主要变化如下。

1)本标准规定了半导体发光二极管电学、辐射度学、光度学、色度学参数、热学参数的术语和测试方法以及静电放电敏感性的测试和分类。

2)采用国际照明委员会 CIE 127-1997技术报告《LED 测量》中建立的平均LED 强度的概念和测量规范来替代原先建立在点光源基础上的发光强度测量方法。

2.1 本标准适用范围

    本标准适用于可见光、白光半导体发光二极管。鉴于紫外发光射二极管、红外发光二极管测试原理相同,只是测试用探测器光谱范围不同,因此,它们的相关测试可以参考本标准。半导体发光组件和芯片的测试也可参考执行。

2.2 本标准术语、定义和符号

       GB/T 4365GB/T 5698GB/T 11499GB/T 15651 确立的术语、定义和符号适用于本标准。本标准定义的术语、定义和符号包括:辐射能、光量、平均LED强度、光谱功率(能量)分布、热阻、结-管壳热阻、结-环境热阻、静电放电电压敏感值、静电放电耐受电压、静电放电试验器、人体模式静电放电、机器模式静电放电。

2.3 本标准一般要求

    本标准规定了试验的标准大气条件、仲裁试验的标准大气条件以及其他环境条件。

2.3.1 环境条件

    除非另有规定,其他环境条件应按下列规定:

1)测量环境应无影响测试准确度的机械振动、电磁和光照等干扰;

2)除非另有规定,器件全部光电参数均应在热平衡下进行(要有足够测试预热时间);

3)测量系统应接地良好。

2.3.2 测量条件(允许偏差)

    除非另有规定,测量条件应符合下列规定:

1)偏置条件应在规定值的±1%以内;

2)输入脉冲频率和占空比的允许偏差应在±2%以内。

2.3.3 测量设备

    测量设备的不确定度应符合相关规范的技术要求并检定合格。在检定周期内,按有关操作规程进行测量。

本标准般要求中的测量条件是行标试用期间争论最多的项目。生产研发企业希望能尽量多沿用目前本企业中的设备,包括一些自制实验仪器;而仪器供应商总想提高测试精度要求,有利于淘汰旧设备。经过多次讨论后研究决定,提高偏置条件(包括电参数)到±1%以内,搁置提出的1‰的要求,暂时搁置光参数。

2.4 测试方法

    测试方法分为:1 000 电特性测量方法;2 000 类 光特性测量方法;3 000 光电特性测量方法;4 000 颜色特性测量方法;5 000 热学特性测量方法;6 000 静电放电敏感性测试和分类。

3.本测试方法标准中重点内容解析

3.1  1 000  电特性测试方法

    主要包括:正向电压、反向电压、反向电流及总电容四个参数,标准中给出了基本的测试原理图,但在实际测试中,尤其在功率LED器件测试时,除电流源精度要达到±1%外,测试电流有时较大,使得导线上的电阻及接触电阻会产生一个较大的压降,从而影响测试准确度。

3.2  2 000   光特性测量方法

        LED光特性测试主要涉及发光强度和辐射强度、光通量和辐射通量及光谱能量分布等参数。早先测量LED时把被测器件看做点光源来处理,在光度学中,有一定尺寸大小的余弦辐射源和探测器之间的距离只要与被测源半径之比大于10以上,则可将被测源看作点光源。可采用距离平方反比定律来测量计算发光(辐射)强度,CIE把这叫做“远场”条件。在有些条件下,LED管壳出窗和和探测器之间的距离相对较小,LED封装管壳实际上还起扩展面积作用;实际上许多LED光(辐射)强度分布曲线不均匀也不对称,差异很大;有强烈指向性的发光二极管,不具有余弦辐射特性。因此,不能采用距离平方反比定律来测量计算发光(辐射)强度,以致使LED辐射不再能当作点光源来处理。LED的辐射空间图形取决于离它的距离。CIE把这叫做近场”条件。

    对于LED测量,探测器面积足够大,光度探测器在离LED有限距离测量得到的不是真实的光度学定义的发光强度,而是代表了在探测器与LED之间构成的立体角内测量得到的平均发光强度(近场条件)。为解决LED测试差异大问题,CIE推荐采用“平均LED强度”概念,规定了CIE标准测试条件AB。光度探测器放在被测LED距离100mm处为标准条件B,放在316mm处则为标准条件A。在这两种条件下,所用的探测器要求有一个面积为100mm2(相应直径为11.3mm)的园入射孔径。

    要准确测量LED的 光和辐射通量必须要把它所发射的光辐射能量通过积分光度球收集起来,然后用位于球壁的光探测器把他们线性地转换成光电流,再通过定标确定被测量的大小。被 测器件和光度球漫射屏开孔的面积和球面积比较应该相对较小,球内壁和漫射屏表面应有均匀的高反射率漫反射镀层。同时要考虑到峰值发射波长和光通量由于功率 消耗产生的变化。球和光度探测器组合该得到校准和标定。

3.3  3 000 光电特性测量方法

    把规定的直流和脉冲电流加到被测器件,用测量用光电二极管组成的测量系统测量开关时间就可以得到LED光电特性。光电二极管的开关时间,实验电路和测量仪器的延迟时间,输入电流脉冲的上升时间和下降时间都应该足够短以保证不影响测量精度。

3.4  4 000 颜色特性测量方法

    色度学是研究颜色理论及其度量的学科。关于颜色的测量和标准应该符合人眼的观测结果。CIE1931XYZ色度系统是色度学基础 .    

    测量LED颜色特性可以采用滤波器和光探测器组合光谱响应与CIE标准色度观测者光谱三刺激值 一致的光电色度探测器(积分法)直接测量被测LED器件的色度坐标;但目前主要是采用分光光度法测量被测LED器件的光谱能量分布进而得到CIE标准色度系统色度坐标。本标准中涉及LED颜色特性的参数包括色度坐标、主波长和颜色刺激纯度、色温和相关色温、色差及显色指数。

    分光光度法中,LED颜色特性测试精度很大程度上取决于光谱测量的准确性。光谱测量时产生误差的因数有:波长误差、光谱带宽、波长间隔、噪声、杂散光、荧光、探测器线性度和光谱标准的精度等。光谱辐射度计测量时会有加宽测量光谱的效应,如10nm带宽(FWHM)将使红、蓝LEDu′,v′色度坐标产生0.003误差,绿色0.002误差。CIE推荐使用≦5nm带宽。另外,扫描间隔对峰值波长和光谱带宽也特别重要;有人推荐:2.5nm间隔,一般要求:1nm

    光谱测量时噪声动态范围和杂散光大小特别重要,特别在LED光谱范围外,将引起大误差。在u v LED中,荧光使测量不确定性增加。任何波长和光谱的不确定性都将转化成色度量误差。

        LED光谱和颜色应该用消杂散光性能好的仪器测量,可以获得好的波长测量精度。采用双单色仪、高灵敏度的光谱辐射度计可以得到高的测量精度。

3.5  热学特性测量方法

        LED器件的热学性能会直接影响到器件发光效率、强度、光谱特性、工作稳定性和使用寿命。采用标准化的方法进行测量,是半导体照明工程中的一项关键性工作。 本标准定义了结温、热阻、结对管壳热阻、结对环境的热阻等概念和建立了热阻的串联模型,LED热学模型是估计和计算LED PN结结温的实用工具。LED PN结内产生的热量从芯片开始沿着PN结—反射腔—印刷板—空气(环境)进行传输,总热阻可以表示为从结-环境这一热路(Thermal Path)中各个单个热阻之和。本标准规定了热阻的电学测试法,它利用在低正向电流时,LEDPN结的温升和正向电压增量成线性相关的原理,可以采用对被测器件施加不同电流加热芯片、然后在小电流时测量结电压增量和结温升的关系从而确定结温的方法。

    目前许多人认为,LED器件的辐射功率不对结温产生影响,因此应该把辐射功率从总电功率中扣除,本标准未作明确规定,留有讨论修改的余地。

3.6  静电放电敏感性测试和分类

    在LED的制造和使用过程中,人体和器件接触的机会最多,由人体静电损伤造成器件失效的比例也最大。本标准采用人体HBM Human Body Model)和机器MM Machine Model)模式来试验测试LED所能承受的静电放电电压等级。

本标准分别建立了模拟人体和机器对静电能量进行存储并将其对被测器件进行释放的电路模型。规定了模拟电路中双向脉冲发生器、电流传感器(包括示波器)、评价和修正脉冲波形的负载的要求。静电放电测试时要求一次至少使用三个样本,每个样本规定的静态和动态参数都要事先进行测试并记录。规定了静电放电敏感性测试详细步骤和分类表。

4.结束语

      SJT 11394-2009《半导体发光二极管测试方法》是源于行业协会标准再发展为国家相应标准的典型,已在行业中讨论和试用一定时间,有广泛的基础。它已经由信息产业部于2009年 正式发布实施,使得半导体发光二极管有了统一的测试方法;可以规范半导体照明器件开发和应用产品市场推广;树立消费者对半导体照明产品的信心;指导半导体 照明产品标准检测流程与方法的开发、改进和采用。为制造商与检测机构间的信息交流渠道提供了基础,对引导半导体照明产业健康发展具有重要意义。


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