Elektrische und optische Tests in Entwicklung und Produktion HB-LEDs und ihre Testanforderungen

High-Power-System-SourceMeter 2651A von Keithley Instruments
High-Power-System-SourceMeter 2651A von Keithley Instruments

Um gleichbleibende Eigenschaften von HB-LEDs zu gewährleisten, müssen Hersteller in der Entwicklung und Produktion verschiedene elektrische und optische Messungen durchführen. Keithley hat für diese Anforderungen ein System mit beachtlichen Spezifikationen entwickelt: Das High-Power-System SourceMeter 2651A kombiniert Halbleiter-Charakterisierungssystem, Präzisionsstromversorgung, Stromquelle, DMM, Arbitrary Waveform Generator, U- und I-Impulsgenerator, elektronische Last und Trigger-Controller.

Je nach Einsatzbereich muss eine HB-LED strenge optische und elektrische Grenzwerte über weite Betriebsbedingungen (-30 bis +85 °C) einhalten. Daher werden sie meist schon auf dem Wafer getestet und durchlaufen nach dem Packaging einen weiteren Test mit einer letzten Charakterisierung und Sortierung. Zu den Standardmessungen gehören dabei die optische Ausgangsleistung und das optische Spektrum bei einem oder mehreren Durchlassströmen (mit U-Messungen), die Durchbruchspannung in Sperrrichtung, der Leckstrom in Sperrrichtung bei einer spezifischen Spannung und die ESD-Toleranz.

Die optischen Messungen lassen sich gegebenenfalls auf DC-Messungen zurückführen. So kann zum Beispiel die Lichtstärke mit Hilfe eines Photodetektors (PD) gemessen werden. Die Größe des Photostroms durch den PD ist dabei proportional zur Lichtmenge der HB-LED. Mit dieser Methode lässt sich die Lichtstärke mittels eines schnellen DC-Instruments durchführen.

Sonderfall LED-Array
Um eine höhere Beleuchtungsstärke zu erhalten, werden in manchen Anwendungen oft mehrere gleichartige HB-LEDs zusammengeschaltet. Bei solchen Konfigurationen muss sichergestellt sein, dass die I-V-Charakteristika der verwendeten HB-LEDs möglichst ähnlich sind. Unterschiede können dazu führen, dass einige LEDs mehr Strom ziehen als andere. Dadurch kann sich die Sperrschichttemperatur dieser Bauteile erhöhen, was Farb- und Helligkeitsunterschiede zur Folge hat oder sogar zu einem vorzeitigen Ausfall führen kann. Der Austausch einer vollständigen Baugruppe wegen Farb- oder Helligkeitsunterschieden oder wegen des Ausfalls einer einzelnen LED kann hohe Kosten verursachen. Dieses Risiko lässt sich beispielsweise durch eine Vorsortierung der HB-LEDs mit möglichst gleichen Spannungsmesswerten bei einer vorgegebenen Sperrschichttemperatur minimieren.

Test mit Impulsen anstatt mit Gleichstrom
Weil HB-LEDs normalerweise eine geringe thermische Masse haben, können Messungen mit Gleichstrom zu einer Erhöhung der Sperrschichttemperatur und damit zu Farb- und Helligkeitsunterschieden führen. Um diese Eigenerwärmung so gering wie möglich zu halten, setzt man immer häufiger gepulste Messungen ein. Dies bietet zudem den Vorteil, dass die verschiedenen Tests in der Produktion direkt hintereinander ausgeführt werden können und keine Pausen zur Abkühlung des Halbleiters zwischen den einzelnen Prüfungen notwendig sind. Eine weitere Steigerung des Durchsatzes lässt sich durch parallelen Test mehrerer Bauteile erreichen. Aber bei fast allen Messungen ist eine hohe Wiederholbarkeit und Genauigkeit wichtig, um zuverlässige Vergleiche zwischen den Bauteilen und den Produktionslosen zu ermöglichen.