高分辨显微光分布测试系统在LED行业的应用

 

　　显微光分布测试系统

　　LED光源是LED产品的心脏，主要功能就是把电能转化成光能，因此注重光品质尤其重要！而当前，芯片厂和灯珠厂在LED光源设计过程中，仅仅是针对光源进行相对简单的测量，获得整体的亮度、波长和电压等参数，并不能精确地描述光源的光分布情况，这样容易导致光源的色度和亮度不均匀、光源整体效率低等问题，甚至导致光源失效。因此很有必要利用显微光分布测试系统对光源进行发光均匀度测试来优化光源设计。

　　针对以上情况，金鉴实验室联合英国GMATG公司联合推出显微光分布测试系统，专注于LED产业改良打造，先已演化到第四代，而且价格从150万降到几十万！订货期3个月，欢迎选购！

　　金鉴实验室联合英国GMATG公司设立仪器研发中心，自主研发的主要设备有显微光热分布系统、显微红外定位系统和激光开封系统。产品获得中科院、暨南大学、南昌大学、华南理工大学、华中科技大学、士兰明芯、清华同方、华灿光电、三安光电、三安集成、天电光电、瑞丰光电等高校科研院所和上市公司的广泛使用，广受老师和科研人员普遍赞誉。性能卓著，值得信赖。

　　应用领域：

　　LED芯片电极设计、LED芯片规格电流优化、芯片出光率、LED芯片来料检验、LED芯片失效分析、灯珠灯具的光线追迹、面板灯发光均匀度、汽车照明灯发光均匀度、灯具发光均匀度。

　　此设备与近场光学测试设备的区别：

　　近场光学设备与金鉴显微光分布探头对LED光敏感度差异对比：

　　金鉴显微光分布探头对光敏感度较高，能分辨细小的光强差异，因此成像也更细腻。

 

　　金鉴显微光分布与传统设备大PK：

　　金鉴显微光分布测试系统可模拟工作温度进行测试，分辨率可达1微米，其具有3D功能，可观测芯片出光效果。

　　遮光罩设计说明：

　　金鉴显微光分布测试系统，具备独特的遮光罩设计，隔绝了环境光的影响，大大增加了测试的准确性。

　　光分布探头接收的是视野内所有的光信号，包括被测样品发射的光以及环境反射光。光分布软件虽然具有背景光扣除功能，但是在测试过程中，环境的变化会导致环境反射光强度的变化，造成测试不准确。如上图所示，在不使用遮光罩的情况下，受环境光变化的影响，芯片光分布图部分区域异常偏暗；在使用遮光罩后，彻底屏蔽了环境光的影响，光分布图异常偏暗区域消失。

　　如装置示意图，金鉴显微光分布测试系统，具备独特的遮光罩设计，隔绝了环境光的影响，大大增加了测试的准确性。

　　设备测试内容：

　　用于测量光源的光强分布、直径、发散角等参数。通过CCD测量光强分布，通过算法计算出光源直径等参数。测量光强的相对强度，不需要使用标准灯进行校准。

　　芯片2D光分布图

　　芯片3D光分布图

　　系统特点:

　　1.模拟器件实际使用环境进行测试

　　LED光源的光热性能受温度的影响较大，脱离实际环境所测试的结果准确性较差，甚至毫无意义。而金鉴自主研发的显微光分布测试系统配备有高低温数显精密控温平台，能稳定控制灯珠引脚和基板温度，模拟实际使用环境进行测试，提供更为真实有效的数据。如下图所示，固定其他条件不变，分别控制引脚温度为80℃和120℃，测试得到的光分布图，不同温度下芯片的发光强度相差较大。该测试平台还配备有水冷降温系统，在100s内可将平台温度由100℃降到室温，有效解决了样品台降温困难的问题，该系统还可以稳定控制样品台温度维持在0℃-室温，适用于部分需要保持低温工作的器件。

　　不同工作温度下的LED芯片发光均匀度对比图

　　2.对LED芯片设计提供参考依据

　　技术背景：

　　当前，芯片厂在LED芯片电极图案设计过程中，仅仅是针对芯片进行相对简单的测量，获得整体的亮度、波长和电压等参数，并不能精确地描述芯片的光分布情况，这样容易导致芯片的色度和亮度不均匀、光源整体效率低等问题。而由于缺乏专业的测试设备和测试经验，LED芯片厂对芯片发光不均匀的现象束手无策，没有直观的数据支持，无法从根本上改进芯片品质。

　　金鉴实验室显微光分布测试系统，方便客户了解芯片性能，认清芯片电极设计的方向。通过LED芯片发光均匀度测试，可以从特定角度拍摄芯片影像，建立一个芯片亮度输出的发光图像，接收被测芯片的光信号，提供芯片发光效果图和光强数据。其中，芯片发光效果图能直观地体现出芯片发光的均匀程度，判断电极图案设计的优劣，明确改进方向，优化电极图案。

　　发光均匀度评判电极图案设计的优劣：

　　芯片的电极图案对芯片的整体亮度、发光效率、电压大小影响较大。根据芯片的发光均匀度进行电极图案优化后，可以改善电流扩展分布能力，提高电流分布的均匀性，减小电流聚集效应，降低工作电压，减小串联电阻，减少焦耳热的产生，减弱红移现象，从而提升芯片的可靠性。

　　优化电极图案的过程中，要兼顾电流扩展性和遮光面积。例如，对于电极图案设计，可增加低亮度区域金手指的长度，来增加电流扩展性，提升低亮度区域的亮度；同样，也可以缩小高亮地区的金手指宽度，减少该区域的电流扩展性，降低亮度，以达到提高芯片整体发光均匀度的目的。又例如，对于低亮度区域还可以设置电流扩展层或增加电流扩展层厚度，以增加电流扩展性；相反，对于高亮度就可以设置电流阻挡层来减小电流密度，以形成均匀分布的电流，同样可以达到提高芯片整体发光均匀度的目的。一般，在发光均匀度满足要求的情况下，要尽量减少遮光面积，提升发光效率。

　　案例分析一：

　　某芯片厂需对其产品的电极图案进行评估，委托金鉴实验室进行LED芯片发光均匀度测试。测试后发光效果如图一所示，图中芯片下面两个焊点连接负极，上面两个焊点连接正极，最右边为亮度刻度，从图中可明显看出芯片的发光不均匀，区域1的亮度明显过高；相反地，区域2的LED量子阱却未被充分激活，降低了芯片的发光效率。对此，金鉴建议，可以适当增加区域1及其对称位置的电极间距离或减小电极厚度来降低区域1亮度，也可以减少区域2金手指间距离或增加正中间正极金手指的厚度来增加区域2亮度，以达到使芯片整体发光更加均匀的目的。

　　图一 LED芯片发光效果图

　　案例分析二：

　　某芯片公司委托金鉴测试发光均匀度，测试后效果图如图二所示。图中芯片左边两个电极为负极，右边两个电极为正极，对比最右边的亮度刻度，可以看出，芯片整体发光比较均匀，但仍然美中不足。

　　其中，区域1、2的电流扩展性不够，需提高其电流密度，建议延长最近的正电极金手指，使电流扩展程度增加，提升发光均匀度。区域3金手指位置的亮度稍微超出平均亮度，可减少金手指厚度来改善电流密度，或者改善金手指的MESA边缘聚积现象，两种方法均能减少区域3亮度。另外，也可以增加区域3外的金手指厚度，使区域3外金手指附近的电流密度增加，提升区域3外各金手指的电流密度，以上建议可作为发光均匀度方面的改善，以达到使芯片整体发光更加均匀的目的。

　　在达到或超过了芯片整体发光均匀度要求的前提下，可考虑减小金手指厚度来减少非金属电极的遮光面积，以提升亮度。甚至，可以为了更高的光效牺牲一定的金手指长度和宽度。

　　图二 LED芯片发光效果图

　　3.LED灯珠发光均匀度测试

　　对于LED光源，特别是白光光源，由于电极设计、芯片结构以及荧光粉涂敷方式等影响，其表面的亮度和颜色并不是均匀分布的。金鉴实验室显微光分布测试系统，方便客户了解灯珠发光均匀度性能，认清改进设计的方向。

　　COB灯珠外观图

　　如下图所示，COB灯珠在点亮时，金鉴显微光分布测试系统测得该灯珠光分布不均，发光质量较差，灯珠右边区域亮度相比左边区域低30%。分析其原因，灯珠基板的电阻不均匀，导致灯珠左右两边的芯片所加载的电压不一致，造成灯珠左右两边芯片的发光强度出现差异。

　　a.显微镜下光学图               b. 光分布测试图

　　光分布测试3D图—正面

　　光分布测试3D图—侧面

　　案例分析三：

　　某芯片公司需对其芯片产品进行光品质评估，委托金鉴实验室在指定电流下（30mA、60mA、90mA）对芯片进行LED芯片发光均匀度测试。金鉴工程师利用金鉴自主研发的芯片显微光分布测试系统对客户送测LED芯片点亮测试。

　　点亮条件：30mA、60mA、90mA

　　测试环境温度：20~25℃/40~60%RH。

　　测试结果见下图所示，可知在不同电流下，LED芯片发光分布区别明显，其中60mA为厂家推荐使用电流。

　　不同加载电流下的芯片光分布

　　在额定电流为60mA测试。金鉴通过显微光分布测试系统测试发现，该芯片在额定电流下工作，芯片是存在发光不均匀的现象。通过光强标尺比较，其负极附近区域比正极负极区域发光强度高15%左右。建议针对芯片电极设计做适当优化，以提高发光效率和产品可靠性。

　　该芯片不同电流下（30mA、60mA、90mA）都存在发光不均的现象，芯片正极区域光强明显低于负极区域光强。通过统一的亮度标尺比较，当芯片超电流（90mA）使用时，金鉴显微光分布测试系统测试，我们发现过多的电流并没有是芯片更亮，反而亮度减弱。

　　4.3D图显示芯片的出光率、灯珠灯具的光线追迹

　　关于芯片的主要研究集中在如何提高内外量效率和光提取效率方面，芯片衬底图形化设计、隐形切割工艺等都可以提高芯片光提取效率，然而芯片厂内对于光提取效率的测试手段少之又少，金鉴显微光分布软件3D测试模块可以观察芯片各区域的出光强度，进而评估芯片的光提取效率，填补这一空白。

　　以下为某款倒装芯片的3D光分布图，芯片出光面光分布图表现为凹凸不平的锯齿状，这是因为该芯片采用了图形化衬底，改变了全反射光的出射角，增加了该倒装芯片的光从蓝宝石衬底出射的几率，从而提高了光的提取效率，使得芯片出光面的出光强度大小不一。

　　如芯片的侧面光学图所示，该芯片采用了多刀隐切工艺，芯片侧面非常粗糙，粗糙界面可以反射芯片侧面出射的光，提高芯片的光提取效率。从该芯片的3D光分布图中可以直观的看到，该芯片边缘出光较多，说明多刀隐切工艺对芯片出光效率的提升显著。但是，芯片边缘出光强度并不均匀，表明该多刀隐切工艺仍有优化的空间，可以进一步提高芯片的光提取效率。

　　        芯片3D光分布图                          芯片侧面光学图片

　　5.LED失效分析

　　金鉴显微光分布测试系统除了能帮助研发人员优化芯片设计，还是用于品质分析的神兵利器。光学性能是LED光源最主要的性能，当其出现失效时，必然会在光学性能上表现出异常，通过显微光分布测试系统我们可以轻松的发现其光学性能的变化，从而准确定位失效点，大大提高了客诉时效性。

　　某芯片出现漏电光衰现象，使用金鉴显微光分布测试系统测试漏电芯片的光分布图如下所示，从中可以很直观的看出，芯片只在局部区域发光。对芯片发光区域边缘进行重点分析，我们发现LED芯片在使用过程中受到过流冲击，出现击穿以及金道熔断现象，使得电流在芯片内的横向扩展受阻，形成局部发光的现象。

　　LED漏电芯片光分布图

　　案例分析四：

　　某灯珠厂家把芯片封装成灯珠后，老化出现电压升高的现象，委托金鉴查找原因。本案例中，金鉴通过显微光分布测试系统发现芯片主要在正极附近区域发光。因此，定位芯片正极做氩离子截面抛光，发现正极底部SiO2层边缘倾角过大，ITO层在台阶位置出现断裂、虚接现象，ITO层电阻过大，电流扩散受阻，出现电压升高异常现象。

　　使用金鉴显微光分布测试系统观察电压升高样品，发现芯片只在正极局部区域发光，结合芯片表面结构完整，无漏电异常现象，推断芯片内部结构异常导致电流扩散受阻。

　　LED芯片光分布图

　　定位芯片正极做氩离子截面抛光，对比正常芯片和异常芯片的截面图，发现异常芯片正极底部SiO2层边缘倾角过大，ITO层在台阶位置出现断裂、虚接现象，导致LED芯片内部电流扩散受阻，出现电压升高异常现象。

　　LED芯片氩离子截面抛后截面形貌观察

　　案例分析五：

　　某灯珠厂的灯珠在使用过程中出现严重光衰现象，金鉴通过显微光分布测试OK和NG芯片光分布如图所示，对比发现NG芯片发光不均匀，呈平行亮暗条纹状，芯片暗区的出现造成芯片整体亮度偏低。

　　LED芯片光分布图

　　FIB切割发光异常区域：

　　使用FIB对芯片发光异常区域进行切割，对比OK芯片和NG芯片，发现芯片边缘区域都存在开裂，OK芯片裂纹较浅，NG芯片开裂严重。芯片开裂一般为应力导致，这可能为芯片外延应力或者芯片切割应力。在应力的作用下，芯片一般会在边缘位置最先产生开裂，开裂后芯片内阻增大，造成发光衰减。

　　LED芯片截面形貌观察

　　案例分析六：

　　客户送测LED灯珠，委托金鉴进行灯珠体检，帮助提升其产品性能和质量。

　　显微光分布测试灯珠芯片光分布：

　　LED灯珠外观图及芯片光分布图

　　从光分布图中我们发现，该灯珠两颗芯片发光强度不一致，B芯片发光强度明显较强，说明B芯片内的电流密度较大，这种情况将会严重影响灯珠光品质及可靠性。其原因是：LED芯片较小的电压波动会产生较大的电流变化，该灯珠两颗芯片采用并联方式工作，两颗芯片两端的电压一样，芯片电阻之间的差异会造成流过两颗芯片的电流存在较大差异，从而出现一个灯珠内两颗芯片上的电流密度大小出现差异。客户针对此种情况，加强对来料芯片电压分BIN的卡控后，杜绝了该种异常现象，其灯珠光品质及可靠性得到大大提高。

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