测试高亮度发光二极管(HBLED)的系统和方法

摘要

提供一种测试高亮度LED(HBLED)的系统和方法，具体说提供一种具有改善的精确度和可重复性的HBLED的控制能量测试的系统和方法。在一个实施例中，所述的系统包括：一个用于提供一个恒定的功率给一个处于测试状态的器件(DUT)的可编程的恒定功率源；及在本案中，一个HBLED；其中所述的可编程的恒定功率源调整输出电压或输出电流以确保在一个确定数量的时间内将给定数量的功率供给所述的HBLED，并在所述的测试顺序的持续时间内提供对所述的HBLED的结点温度的精确的控制；一个参数测量单元(PMU)，包括一个用于执行多个HBLED测试顺序的处理器，和一个用于测量一组HBLED参数包括所述的HBLED的光输出的功率和颜色(波长)的分光仪；以及一个用于协调获取所述的一组被测量的HBLED参数的定时的控制器。在另一个实施例中，一个光电探测器被用来测量所述的HBLED的光输出的集成功率。

说明书

对相关申请的交叉引用

本实用专利申请要求于2009年8月3日提交的第61/230,968号美国临时专利申 请的优先权，该美国临时专利申请的主题内容一并援引于此。

技术领域

本发明总的有关一种测试固体光器件例如高亮度发光二极管(HBLED)的系 统和方法，具体说是有关一种具有改进的测量的精确度和可重复性的对HBLED进 行控制能量测试的系统和方法。

背景技术

发光二极管(LED)的历史

随着LED的发现，正向偏压的二极管的发光的科学观察报告的最早记录开始 于1907年。这个发明给予俄罗斯技术专家Oleg Vladimirovich Losev广泛的声誉，是 他观察到：氧化锌二极管和碳化硅二极管被用于无线电装置的接收电路，当被正向 偏压时他是以被发射的少量光进行工作。Losev对二极管发光的原因和性质的研究 成为1924年至1930年发表的一系列的16篇论文的基础，这些论文说明了其对发光二 极管(LED)研究的结果。可悲的是，Losev在希特勒围攻列宁格勒其间被诱捕并 饿死于1942年。由于他的过早死亡和第二次世界大战劫后余生的混乱，他的工作被 世人忘掉。

于1962年当美国研究人员论证了一种基于LED作用的激光时，LED的历史再 重新展现。在1962年至1990年代中期，LED成为一种常用的电子元件并被用在种种 标识和发信号的应用中。在LED方面的下一个突破性进展发生在1995年，此时Isamu Akasaki和H.Amano论证了一种基于氮化镓(GaN)工作的高亮度发光二极管 (HBLED)。HBLED比传统的LED具有大得多的亮度、更高的效率并可以构造成 产生更多的颜色。

HBLED的电气效率和紧凑的尺寸已展现了适合于这些固体光器件的一大批的 新应用。在近来的这些年中，人们已发现多种HBLED它们进入种种科学的和照明 的应用的途径，从而推动多种HBLED的市场在2006年扩展到超过110亿美元。

虽然从物理学家的观点看，“发光二极管”这名称已准确地描述了该器件， 但该名称并未精确地说明该器件如何被使用。从应用观点看，该HBLED通常并不 作为一种二极管被使用。二极管当被正向偏压时是被用作通过电流，而在被反向偏 压时阻止电流。如果借助水来类比，则二极管是起到单向流动阀的作用。一种 HBLED的主要功能是发光。该HBLED是将电功率转变成光功率。在水的类比模式 中，该二极管是一个单向流动阀而该HBLED是一个发生器。

LED测试

在制造过程中用于评价HBLED器件的测试方法是基于传统的二极管测试，这 些传统的二极管测试被扩大到包括测量HBLED光学输出的功率和颜色(即波长)。 典型的HBLED测试是用简化了的二极管测试顺序开始进行，在该测试顺序中二极 管被反向偏压以确定泄漏电流的数量，然后在测量正向电压时用一个强制电流被正 向偏压。为了测量HBLED的光学性能，在用光电探测器(photodetector)和/或分 光仪(spectrometer)测量由该处于测试状态的HBLED(HBLED DUT)器件发出 光的功率和颜色时施加一个强制电流。

当这些测试必须在最短的时间可能经常是50毫秒或更短的时间内完成在多数 情况下，生产HBLED测试顺序是在该正被测试的器件已到达热平衡之前完成，这 就显著地降低了正向电压测量及光学功率测量和颜色测量的精确度和可重复性。

从测试和测量观点看，由于该HBLED根本上是一种能量转换器件，人们必然 会想到用于评估HBLED的测试方法或策略势必完全不同于二极管的测试方法或者 策略。

发明内容

对HBLED测试的传统方法是源于HBLED是一种发光的二极管这样的想法。而 控制能量测试方法是将HBLED看作一种能量变换器并假设HBLED将电功率转变 成光功率。该测试的目标就是通过测量由HBLED所产生的作为时间的函数的光功 率按照输入能量相对输出能量来评价其转变的效率，同时控制输入到处于测试状态 的HBLED器件(HBLED DUT)的电功率。

虽然传统的测试方法或策略和控制能量测试方法或策略两种都可进行这些器 件的相同性能的测量，但控制能量测试方法或策略能更好的一致性地符合这些器件 的真实性及器件使用的应用类型。该控制能量测试方法或策略提高了测量的精确 度，更重要的是，还改善了测试的可重复性，而不会牺牲测试的速度。

控制能量测试方法或策略克服了与传统的HBLED测试的方法和测试系统相关 联的根本的弱点。首先，由于传统的HBLED测试系统被优化适合于施加电流和测 量电压，被发送到HBLED DUT的功率的实际数量并未被监控，因而是不知道的。 而且，由于传统的HBLED测试系统的实施并未提供对一个测试顺序的各方面定时 精确的控制，被传递给该处于测试状态的器件(DUT)的能量的精确的数量(功 率×时间)也并不能被确定。由于在被传送给DUT的功率的数量方面的不确定性 和在测试的定时和测量顺序方面的不确定性，测量结果的精确度和可重复性受到影 响而变差，并且被测量的数据将在各次测试中不同。

该控制能量测试策略是通过以下步骤来解决上述这些问题：1.在正向偏压和光 测试时施加一个可编程的(给定的或者预先确定的)数量的功率(不只是电压或者 电流而是它们两者的乘积)；2.精确地控制一个DUT的结点温度；以及3.精确地协 调所有的测试和测量顺序包括反向电压、正向电压和输出光功率指配的定时。一个 控制能量测试顺序将一个给定数量的功率(时间变化或不变化)施加到该DUT， 以促使该DUT的结点温度到达热平衡。在一个预定数量的能量已发送到DUT并且 该DUT的结点温度处于稳定之后，测量该HBLED的光输出的颜色和功率。

附图说明

图1显示根据本发明的原理的一个实施例的控制能量测试系统的方块图。

图2显示一种控制能量测试方法，该方法具有对一个DUT输入能量的精确定时 和在该DUT达到热平衡之后经协调的输出能量测量及光功率指配。

图3显示根据本发明的原理的一个实施例的控制能量系统。

具体实施方式

在本发明的一个实施例中，控制能量测试被实施，本发明的该控制能量测试 是一种用于提高在对电子的或者光电子的器件进行参数的和/或功能的测试过程中 所获得的测量的精确度和可重复性的方法。

该控制能量测试技术使用一个结合有精确的定时电路的可编程的恒定的功率 源以在一个预定数量的时间内将一个给定的或者预先确定的数量的功率传送给一 个器件处于测试状态的器件(DUT)。

图1和图2图示一种系统和方法，即适用于一个处于测试状态的高亮度发光二 极管器件(HBLED DUT)的控制能量测试系统100和方法200。该控制能量测试系 统和方法，例如一种控制能量测试的参数测量单元(PMU)300(如图3所示)的 实施是基于一种由一个多个处理器的网络控制的模拟的参数测量单元。该处理器网 络的设计被优化以实施一个所要求的控制系统以提供给DUT一个预先确定数量的 功率，这样就可在HBLED测试顺序的整个定时中给予精确的控制。该控制能量测 试的PMU300的‘施加功率’或者‘恒定的功率源’的功能是类似于一种恒定的电 压源或者一种恒定的电流源。术语‘恒定的功率源’是指该功率源调整输出的电压 和电流两者，以确保一个给定数量的功率被提供给HBLED DUT。被发送的该数量 的功率可以是随时间变化或者在整个时间内是恒定的。

在图1中，控制能量测试系统100将控制能量测试顺序(即控制电功率)提供 给和输入到一个DUT 102(例如LED或者HBLED，等等)，该DUT将电功率转变 成光功率，然后该光功率被一个测试数据获取系统104获取。该测试数据获取系统 104，在一个实施例中，可以包括一个用于获取与功率和颜色输出两者相关的测试 数据的分光仪106，而在另一个实施例中，可以包括一个分光仪106和一个光电探测 器108两者，借此该分光仪106获取与功率和颜色相关的测试数据，而该光电探测器 108获取与功率输出相关的测试数据。应认识到该测试数据获取系统104可以包括其 它使用于从DUT102获取其它的测试数据的合适的器件或配置，而这并不背离本发 明的范围或者精神。

图2显示一种控制能量测试方法200，该方法具有对一个DUT(在一个示范性 的实例中，为一个HBLED)输入能量的精确的定时和在该DUT HBLED达到热平衡 之后经协调的输出能量测量及光功率分配。

首先，该DUT HBLED是在一种所谓的“冷结点”状态，即在环境温度，通常 为25OC时平衡的未加热的状态。该方法200开始于步骤202：将一系列的短强制电 流脉冲施加到一个DUT HBLED。然后，在步骤204中：测量一个正向电压以监控 该DUT HBLED的结点温度。接着，在步骤205中：施加控制能量。如果在步骤206 中DUT HBLED的结点温度已达到热平衡，则在步骤208中执行DUT HBLED的功能 测试；否则，如果在步骤206中DUT HBLED的结点温度未达到热平衡，该方法200 就返回到步骤205，连续地施加控制能量并在步骤206中连续监控DUT HBLED的结 点温度，直到该结点温度达到平衡。最后，在步骤210中获取该DUT HBLED的功 能测试数据，例如输出能量的功率、颜色，等等。

图3显示根据本发明的原理的一个实施例的一个控制能量测试系统300。该控 制能量测试系统300包括多个处理器。在本实施例中的这些处理器使用一个共享的 系统时钟以便保持一个共享的时间参照、数个平面存储器映像(flat memory maps) 和一个精简的指令集构架。所有这些功能使该处理器组可以被独立地编程序但彼此 保持紧密协调。这些处理器的每一个在该电路内被指配一个特定的功能以确保在各 任务的执行定时方面的完整性。由于使用该共享的系统时钟，这些任务是同步化的。

与电路的恒定功率输出关联的有两个控制环301、302。该内控制环301是一个 用作执行一个恒定电压或者恒定电流模式放大器(可选择的)304的模拟反馈环。 内控制环301包括一个电压检测处理器306、一个电流检测处理器308、一个模拟/ 数字转换器(A/D)320、一个电流传感器321和一个模拟/数字转换器318。

该外控制环302是一个数字反馈环，该数字反馈环实现恒定的功率输出并包括 电压检测处理器306和电流检测处理器308(和相关联的数个模拟电路)、一个数学 处理器310、一个控制处理器312和一个力处理器314(force processor)。

这些处理器306、308、310、312不断地监控DUT的电压和电流、检测任何不 规则的功率情况，以及必要的话，用信号通知力处理器314以酌情增大或减小输出 的电流或者电压，从而确保一个恒定数量的功率被传送给DUT HBLED 102。

该控制处理器312控制HBLED测试顺序的执行。这个处理器312专用于控制一 个测试顺序执行的任务。对恒定功率电路的控制是通过对数学处理器和力处理器 310、314的通信连接被控制的。控制处理器312还通过发送一个被精确定时的信号 给分光仪106，如果配置的话，和光电探测器108使DUT HBLED的输出能量获取的 开始和结束同步化。通信处理器316专用于控制与一个主机系统317的通信，该主机 系统317包括有测试顺序和获取定时的配置。通信处理器316的功能是确保主机通信 可以被操作和被执行，而不会使可能正在进行中的任何测试顺序的定时的精确度下 降。电压检测处理器306监控跨接DUT HBLED 102的电压。一个模拟缓冲电路对下 侧的DUT的电压采样并将一个经标定的DUT电压送给该高速的、高精确度的模拟/ 数字(A/D)转换器318。电压检测处理器306监控并记录电压检测模拟/数字(A/D) 转换器318的输出。

电流检测处理器308监控流入DUT HBLED 102的电流量。一个模拟缓冲电路 对跨接电流传感器321的电压采样并将一个经测量的DUT电流送给该高速的、高精 确度的模拟/数字(A/D)转换器320。电流检测处理器308监控和记录电流检测模拟/ 数字(A/D)转换器320的输出。

数学处理器310取得由电流检测处理器和电压检测处理器308、306提供的DUT HBLED的电压和电流的信息并计算来源于DUT HBLED 102的集成功率。数学处理 器310然后比较依靠所要求的功率电平计算的结果并，如果必要的话，命令力处理 器314修正传送给DUT HBLED 102的功率数量。

力处理器314控制与施加电流或者电压给DUT HBLED 102相关联的一个模拟 电路。该模拟电路的特点是有一个由高速的和高精确度的数字/模拟(D/A)转换器 322驱动的电流和/或电压模式力放大器304。力处理器314执行来自数学处理器310 的命令以调整正在被提供给DUT HBLED 102的电压或者电流的数量。

熟悉本领域技术的人员应认识到上述的控制能量测试系统100和方法200可以 被用于测试其它合适的器件和/或配置，包括但并不限于，任何其它的将电功率转 变为光功率的合适的能量转换器件。

应认识到附图和结合附图的详细说明应是被看作例示性的而并不是限制性 的。

熟悉本领域技术的人员由上述的说明将可清楚理解本发明的这些和其它的特 点。同样应认识到发明可以在各个显而易见的方面作出变型，所有这些变型并未背 离本发明的精神和范围。而且还应认识到上述的处理器、转换器、传感器、分光仪， 等等，可以各种各样的方式实现，而并不背离本发明的范围。