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

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Das LED-Testsystem für einzelne Bauteile

Die Testfolge ist so programmiert, dass der Test beginnt, sobald der Bauteil-Handler über eine digitale Leitung das Startsignal (SOT - Start of Test) liefert. Die Testfolge startet sobald das Instrument dieses Signal erkennt. Nachdem der Test abgeschlossen ist, erhält der Bauteil-Handler über eine digitale Leitung die Meldung "Messungen abgeschlossen".

Durch die integrierte Intelligenz kann das Messinstrument alle Pass/Fail-Operationen eigenständig ausführen. Über den digitalen I/O-Port wird dann ein digitaler Befehl zum Bauteil-Handler gesendet, so dass dieser die HB-LED entsprechend den Pass/Fail-Kriterien sortieren kann. Dann erfolgen normalerweise zwei Aktionen gleichzeitig: die Daten werden für die statistische Prozesssteuerung zum PC übertragen und ein neues Testobjekt wird in den Testadapter eingelegt.

Um einen akzeptablen Durchsatz zu erreichen, prüfen Produktionstestsysteme mehrere Bauteile gleichzeitig. Das Bild oben zeigt den parallelen Test mit einem Bauteiltester für drei LEDs bei nur einem Photodioden-Kanal. Die Eigenerwärmung der Sperrschicht gehört zu den häufigsten Fehlerquellen beim HB-LED-Produktionstest. Da sich die Sperrschicht im Laufe der Zeit durch den konstanten Bias-Strom in Durchlassrichtung erwärmt, sinkt die Durchlassspannung. Um genaue, wiederholbare Messungen sicherzustellen, muss die Eigenerwärmung des Bauteils berücksichtigt werden. Die Eigenerwärmung lässt sich durch eine kurze Testdauer minimieren, da dann der Teststrom nur kurz durch das Bauteil fließt.

Die Integrationszeit richtig einstellen

Geeignete Messinstrumente berücksichtigen auch, dass ausreichend Zeit vorhanden ist, damit sich die Schaltungskapazitäten vor der Messung auf- oder entladen können, und dass die Integrationszeit richtig eingestellt wird. Die Integrationszeit definiert, wie lange der A/D-Wandler das Eingangssignal erfasst. Das High-Power-System SourceMeter Modell 2651A verfügt über digitalisierende A/D-Wandler mit einer Erfassungsrate von 1 µs pro Punkt, die bis zu 50 Mal schneller sind als sehr leistungsfähige integrierende A/D-Wandler.

Diese höheren Messgeschwindigkeiten verkürzen die Testzeiten. Der Einsatz von gepulsten Messungen minimiert ebenfalls die Testzeiten und zudem die Eigenerwärmung der Sperrschicht. Moderne SMUs mit hoher Pulsbreitenauflösung erlauben eine genaue Steuerung, wie lange die Signale an das Bauteil angelegt werden. Im Pulsbetrieb erreichen die Instrumente außerdem deutlich höhere Ausgangsströme als im DC-Betrieb.

Der Test von leistungsfähigen High-Brightness-LEDs

Auf Grund der Forderung nach sehr hellen Lichtquellen mit kleiner Baugröße haben die Beleuchtungshersteller leistungsfähige LED-Module entwickelt, die aus einer oder mehreren großflächigen LEDs bestehen. Bei mehreren Einzel-Chips werden solche LEDs je nach Anwendung und Stromquelle entweder parallel oder in Reihe geschaltet. Die Chips für die LEDs sind viel größer als bei konventionellen HB-LEDs und arbeiten mit deutlich höheren Strömen, die bis zu 10 A erreichen können.

Für den Test dieser sehr leistungsfähigen HB-LED-Module ist eine Hardware erforderlich, welche diese hohe Leistung auch liefern kann. SMUs können gleichzeitig sowohl als Quelle als auch als Messinstrument arbeiten und sind damit die ideale Lösung für den Test von LEDs.

Allerdings verfügen die meisten SMUs nicht über eine ausreichend hohe Ausgangsleistung, um diese sehr leistungsfähigen HB-LED-Module testen zu können.

Das Problem der hohen Ausgangsleistung

Die meisten SMU-Instrumente können oft nur 20 W oder weniger Leistung liefern, wogegen in der Regel mehr als 100 W benötigt werden. Das High-Power-System SourceMeter-Instrument Modell 2651A erreicht eine kontinuierliche DC-Leistung von bis zu 200 W und eine Pulsleistung von bis zu 2000 W.

Die Helligkeit von LEDs lässt sich mit einer Pulsbreitenmodulation steuern. Obwohl die Helligkeit einer LED einfach über den Durchlassstrom geregelt werden kann, ist diese Methode nicht ideal, da sich dabei die Farbe des erzeugten Lichtes geringfügig verändert. PWM ist daher das bevorzugte Verfahren, weil sich durch die Konstantstrom-Pulse die Lichtfarbe nicht verändert. PWM ermöglicht zudem eine linearere Steuerung der Helligkeit und erreicht eine höhere Effizienz. Bei diesem Verfahren hat der pulsförmige Strom durch die LED eine konstante Frequenz und einen konstanten Pegel, nur die Breite der Pulse variiert. Somit verändert sich die Dauer in der die LED eingeschaltet ist und dadurch die empfundene Helligkeit. Eigentlich blinkt die LED aber mit einer sehr hohen Frequenz, die das menschliche Auge nicht wahrnehmen kann.

Änderungen der LED-Temperatur erkennen

Bei einem PWM-Test einer LED wird eine Reihe von Strompulsen erzeugt und das ausgestrahlte Licht über mehrere Pulse mit einem Spektrometer und einer integrierenden Messung erfasst. Diese Messung kann einige zehn oder hundert Millisekunden dauern. Während der Pulse wird die Durchlassspannung bei jedem Puls gemessen, um Temperaturänderungen der LED erkennen zu können.

* Mark A. Cejer ist Marketing Director bei Keithley Instruments, Inc. in Cleveland, Ohio, das zum Test- und Messtechnik-Bereich von Tektronix gehört.

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