Testsystem für LEDs Wie sich High-Brightness-LEDs und -Module testen lassen

Für den Test von HB-LEDs sind spezielle SMUs (source measurement unit) notwendig, die Leistungen von mehr als 100 W bieten können. Wir stellen Ihnen ein Gerät vor, das eine kontinuierliche DC-Leistung bis 200 W bietet.

Anbieter zum Thema

SPEA GmbH Systeme f. professionelle Elektronik und Automation

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Keysight Technologies Deutschland GmbH

Tektronix GmbH

High Brightness Light Emitting Diodes, oder kurz HB-LEDs, werden auf Grund der hohen Helligkeit, ihres Wirkungsgrads und der langen Lebensdauer immer beliebter. Die neusten Entwicklungen zeichnen sich durch einen noch höheren Lichtstrom, eine längere Lebensdauer, eine größere Farbpalette und mehr Lumen pro Watt aus. Um die Kosten dieser Bauteile künftig weiter senken zu können, muss die Fertigungsausbeute verbessert und die Fertigung effizienter werden. Ein kostengünstiger Produktionstest erfordert die richtigen Testsysteme und wie sich diese effizient einsetzen lassen.

Die Grundlagen eines HB-LED-Tests

Zuerst soll auf die Grundlagen des HB-LED-Tests eingegangen werden. Im linken Bild auf Seite 49 ist eine typische I-V-Kennlinie von Strom/Spannung einer Diode dargestellt. Ein umfassender Test des Kennlinienverlaufs besteht aus über hunderten von Messpunkten. Allerdings reicht es für die interessanten Kenngrößen aus, eine geringe Anzahl von Messwerten zu ermitteln. Beim HB-LED-Test wird ein bestimmter Strom eingespeist und die resultierende Spannung gemessen oder umgekehrt.

Mit einem speziellen Instrument, das beide Funktionen unterstützt und sich synchronisieren kann, lässt sich die Testvorbereitung beschleunigen und der Durchsatz erhöhen. Die Tests können sowohl auf Chip-Ebene – auf dem Wafer als auch bei Bauteilen im Gehäuse – oder auf Modulebene ausgeführt werden. In den Modulen sind mehrere HB-LEDs in Reihe und/oder parallel geschaltet, so dass normalerweise höhere Ströme notwendig sind. Diese können je nach Anwendung bei mehr als 50 A liegen. Die Ströme bei einem Test auf Chip-Ebene erreichen je nach Chip-Größe 5 bis 10 A.

Test der Durchlassspannung und optische Tests

Beim Test der Durchlassspannung V_F wird die Spannung des Bauteils im Durchlassbetrieb überprüft. Sobald ein Strom in Durchlassrichtung an die Diode angelegt wird, beginnt sie zu leiten. Wird der Strom durch die Diode langsam erhöht, dann steigt der Spannungsabfall über der Diode bis zu einem gewissen Punkt rasch an und verändert sich dann aber kaum mehr. In diesem Bereich mit relativ konstanter Spannung wird die Diode normalerweise betrieben.

Die Testergebnisse werden oftmals zur Sortierung der Bauteile genutzt, da die Durchlassspannung einer HB-LED ein Maß für den Farbwert darstellt. Charakterisiert wird die Farbqualität durch die dominierende oder komplementäre Wellenlänge und die Farbreinheit.

Bei den optischen Tests wird ebenfalls der Durchlassstroms eingespeist, da die abgestrahlte Lichtmenge vom Stromfluss durch die HB-LED abhängig ist. Mit einer Fotodiode oder einem Kugelfotometer lässt sich dann die optische Leistung ermitteln. Das Licht wird dabei in einen Strom umgewandelt, der sich mit einem Amperemeter oder einem Kanal eines SourceMeter-Instruments messen lässt.

Der Test der Durchbruchspannung einer LED

Um die Durchbruchspannung in Sperrrichtung V_R zu ermitteln, wird ein negativer Vorspannungsstrom an die HB-LED angelegt. Der Teststrom sollte so eingestellt sein, dass bei einer weiteren Stromerhöhung der gemessene Spannungswert nicht mehr signifikant ansteigt. Bei höheren Spannungen führt eine weitere Erhöhung des Durchbruchstromes nur noch zu geringfügigen Änderungen der Sperrspannung.

Der Test der Durchbruchspannung V_R erfolgt indem ein kleiner Strom in Sperrrichtung über eine festgelegte Zeit eingespeist und der jeweils resultierende Spannungsabfall über der HB-LED gemessen wird. Die Ergebnisse liegen normalerweise im zweistelligen Volt-Bereich. Die Messung des Leckstroms I_L einer HB-LED erfolgt meist mit mittleren Spannungen, die in Sperrrichtung angelegt werden und kleiner als die Durchbruchspannung sein müssen. Beim Produktionstest wird in der Regel sichergestellt, dass der Leckstrom einen vorgegebenen Grenzwert nicht überschreitet.

Der Produktionstest von HB-LEDs mit hohem Durchsatz

Wird ein externer PC zur Steuerung des HB-LED-Produktionstests verwendet, dann müssen bei jedem Testschritt die Quellen und Instrumente jeweils neu konfiguriert, dann die gewünschte Aktion ausgeführt und schließlich die Messdaten an den Steuer-PC übertragen werden. Dieser wertet dann die Ergebnisse entsprechend den Grenzwerten aus und trifft die Pass/Fail-Entscheidung für die Sortierung. Die Übertragung der Befehle und der Ergebnisse vom und zum PC kostet dabei viel Testzeit. Wie lässt sich der Durchsatz beim Messen von HB-LEDs erhöhen? Mit intelligenten Instrumenten, wie beispielsweise das High-Power-System SourceMeter 2651A von Keithley. Das Gerät minimiert die Kommunikation und erhöht dadruch den Durchsatz. Der größte Teil der Testfolge wird in Form eines Scripts in das Instrument integriert und durch einen Mikroprozessor ausgeführt. Dabei steuert der Prozessor die Testfolg einschließlich der internen Pass/Fail-Kriterien und Berechnungen sowie die Steuerung der digitalen I/Os. Die vom Anwender definierte Testsequenz wird im Speicher abgelegt und auf Befehl in allen SourceMeter-Instrumenten im System ausgeführt. Untereinander kommunizieren die Geräte via TSP-Link-Technologie und so einen zeitaufwändigen GPIB-Verkehr vermeidet.

Das obere Bild auf der folgenden Seite zeigt eine Systemkonfiguration für den Test einzelner HB-LEDs. Der Bauteil-Handler transportiert jeweils ein einzelnes Bauteil zum Testadapter, der gegen Umgebungslicht abgeschirmt ist und einen Fotodetektor für die Lichtmessungen enthält. Hierzu werden zwei SMUs benötigt: Die erste SMU liefert das Testsignal für die HB-LED und misst die elektrische Reaktion. Eine zweite SMU überwacht die Fotodiode während der optischen Messungen.

(ID:32405000)