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淺談LED全光通量量測方法

淺談LED全光通量量測方法
鄭家麟
摘要
LED(Light emittingdiode)為新一世代的照明元件,其發光效率關係到LED的各種設計與品質優劣,因此產業鏈中LED的光學量測便是很重要的一環。當中全光通量代表發光元件的光能,在這裡我們提出一創新的方法為使用Photovoltaiccell(簡稱PVcell)當做收光元件,利用其大面積收光、單晶矽材料性質穩定性高、輸出電流重複性佳、反應時間快的特性,可以有效降低於現今業界使用顯微鏡點測系統會因為機構變異所帶來的收光比例造成的量測誤差缺點。對於使用積分球量測系統,其優點為量測精確度高,但量測時間較長且需要治具將待測物送入積分球體內的量測方式,並不適用產線上對LED晶圓的全光通量(totalpower)快速量測之要求。
1. 前言
LED因具耗電量小、壽命長、反應速度快的特性,在近幾年被譽為下一個世代的照明元件,其產業結構分為上、中、下游,上游將原料製作成磊晶片後,中游負責整合成LED晶圓,再將進行晶粒切割成單一晶粒(LEDchipdie),*後在下游將晶粒封裝成各式不同型態的LED如SMD、Lamp式的LED。當中LED的發光效率lm/Watt一直是各家廠商競爭的指標之一,即表示給予多少的電能可以轉換成多少光能的能力。LED在每一階段的製程,都需要由量測儀器來對產品做光學參數上的量測,在LED產線上不論是在裸晶段與封裝段的全光通量與色度(chromaticity)[5]的量測標準與設備將會扮演重要的角色。其中在封裝段的光學量測有CIE-127[3][4]將封裝型態的LED制定出統一的標準量測方法與規範。由於裸晶段LED的架構與封裝型態的LED大不相同,LED晶圓需以探針對晶粒上的電極進行接觸驅動,晶粒的大小約0.3mm*0.3mm到1.4mm*1.4mm且在晶圓
片上晶粒與晶粒的間距很小,所以在驅動方式與外形幾何結構上的差異,對於LED晶圓的光學參數量測並無法適用於CIE-127的規範,且目前並無國際標準規則可依循。
2.LED 全光通量量測方法
一般傳統上,常見的量測LED 全光通量的方法為使用Goniophotometer法與積分球法[2]。
(a) Goniophotometer法即使用雙軸旋臂法,可由下圖1所示偵測器將光源在空間的光場分佈的強度I θ,ϕ經由球座標各點疊加計算,即Φ= I θ,ϕ πθ=02πϕ=0sin θdθdϕ,其中θ、ϕ為球座標參數。此方法的優點為可以得到絕對的全光通量數值和光源在空間中的光場強度分佈,但缺點是量測時間冗長,且設備昂貴體積較為龐大。其代表性廠商有Radiantimaging、Hoffman Engineering,等。
(a)
(b)
圖1:Goniophotometer [8]。
(b) 積分球法為將LED 置於一個內部塗佈高漫射率塗料的球體以內,光藉由塗
料漫射後均勻分佈在球體內,再由光纖導入光譜儀 [2][6]後計算光通量。
光譜儀
積分球
LED與載具
擋版
偵測器
圖2 積分球法量測示意圖
由圖2 所示積分球法為目前較普遍採用的全光通量量測方法,其優點為有別於
Goniophotometer 法可大幅縮小量測時間和設備價格也較便宜,但因擋版大小位
置、開孔數目大小,內部塗料的光學特性會造成量測誤差,需特別使用標準光源
來校正。另一方面此方法需將LED 放置於載具並置入於球體內才能進行全光通
量的量測,所以對於在LED 晶圓段來說,晶圓點測需使用探針對晶圓上的晶粒
電極進行點測,以一片晶圓上常有上萬顆晶粒來說,積分球的量測積分時間與機
械結構的特性,不太適合應用於LED 晶圓的光學量測。
不論任何量測儀器或方法,其量測方法規範和量測數值標準的制定是非常重要
的,圖3 說明一般量測數據標準的追朔關係,由上而下我們可以知道任何量測產
品其量測數值都會有定義其追朔標準,來當做量測規格值的制定水平。當然有些
量測方法和設備也可以追朔其他大型設備商所製作的受到國際認定的量測儀器
的量測數據當做標準。在本文中所描述將PV cell 應用於全光通量的量測方法,
其量測數值將追朔至德國Instrument System 公司所製作ISP250-110 系統。
國際標準組織
美國NIST,德國PTB,日本NRLM...等
國家標準實驗室
國內二級標準實驗室
國內生產廠商實驗室
圖3 量測標準追朔圖
3.LED 晶圓全光通量量測
由於LED 晶圓的架構,需由圖4(a)與圖4(b)所示。因此在上一節中所描述的
方法和CIE-127 所制定的量測方法並不適合應用在LED 晶圓的光學量測上。目
前業界常用來量測LED 晶圓的設備為從LED chip 正上方使用顯微鏡收光與積分
球系統,另外我們將介紹一新的方法為使用PV cell 當作收光元件,利用其大面
積收光的特性,達到量測誤差敏感度低、元件設備價格便宜的優點。
(a)
(b)
圖4 (a)晶粒顯微圖;(b)LED晶圓點測圖[9]
(1)顯微鏡收光量測系統
此方法為使用顯微物鏡收光,偵測器(power detector)收到部分光量後來計算全光通量(totalpower)數據。此系統可用於快速的點測,並具有架設設備容易的優點,但其收光比例只佔LEDchip總發光能量的一小部分,因此必會受到機構公差、LEDchip形狀等會影響光學探頭收光的因素而使得量測準確性和穩定性的誤差變大,需進一步經由標準LED來做校正才行。圖五為LED wafer量測系統展示圖。
圖5顯微鏡LED wafer量測系統
(2) 積分球量測系統
使用積分球系統收光,需開孔收光且經由積分球體內漫射後,光量會大幅降低因此使量測時間拉長。且因為LED晶圓點測機構的不同,積分球的開孔會影響本身系統會影響精確度。其代表廠商有Labsphere[7]。
圖6. Labsphere公司 OmniLED量測系統
(3) PV cell量測系統
有別於顯微鏡只有收到小部分的光來推算全光通量,PV cell為大面積的收光元件,其中PVcell的種類目前主要有單晶矽、多晶矽、和薄膜太陽能面板,但是多晶矽和薄膜太陽能電池因為製程和本身材質特性,有輸出效率壽命容易降低,和收光均勻程度不一的缺點。故我們選用品質較穩定,收光輸出效率均勻的單晶矽PVcell當做我們的收光元件。PVcell系統可以有效降低因為機構變異所帶來的收光比例而造成的量測誤差,對於使用積分球量測系統,其優點為量測精確度高但量測時間較長且其正確的量測方式是需要治具將LED送入積分球體內,並不符合on-line檢測需求。圖7為我們所架構的量測系統簡圖。
圖7 total power 量測架構簡圖
a. PV cell 輸出電流(mA)和IS total power(mW)量測值的線性度。
由於PV cell 所量測到的值為電流值(mA),要轉換成total power(Watt)值*簡單
的關係為呈線性關係,因此我們由圖8 的量測關係圖我們使用low power 與high
power LEDs sample,藉由改變LED 的驅動電流即改變LEDs 的光輸出功率,記
錄PV cell 所感應的輸出電流(mA)。並在相同驅動條件下Instrument System(以下
簡稱IS)所量測到的total power 值(Watt)做數值比對找出電流與全光通量的線性
關係。
我們的量測設備與待測光源為IS、Total power 機台、low power & high power
LED。量測項目為a. low power LED 驅動電流1mA~20mA,1mA 為一個間格,b. High
單晶矽太陽能板
探針
LED晶粒(LED chip Die)
LED晶圓(LED Wafer)
PV cell LED
current
source
Ipv(Amp)
數值比對
Instrument System
(Watt)
圖8.Ipv 與Watt 量測方塊圖
power LED 驅動電流1mA~340mA,17mA 為一個間格,量測條件同為同一顆sample
點測30 次,點測時間為30ms,每次間隔休息10sec 避免熱效應的誤差,量測30
次取輸出電流平均值,同時使用IS 以相同的量測條件,量測到的值為Watt,然
後將輸出電流與Watt 做數值比對。
圖9 Low power LED Ipv v.s. IS power.
圖10 High power LED Ipv v.s. IS power.
R² = 0.9999
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
0.00 0.50 1.00 1.50 2.00
mW
mA
Ipv v.s. IS power
Ipv v.s. IS power
線性(Ipv v.s. IS power)
R² = 0.9996
0
20
40
60
80
100
120
140
160
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
mW
mA
Ipv v.s. IS power
Ipv v.s. IS power
線性(Ipv v.s. IS power)
由實驗數據圖9和圖10中可以看到PV cell輸出的電流和在相同LED驅動電流下IS所量測到的totalpower(Watt),數據分布取簡單線性回歸後,其方程式的R2>0.9918可視為Ipv對於Watt的變化趨近為線性關係,因此可知PVcell電流值可藉由一次方程式轉換成power值。在圖10中在驅動電流310mA即PV輸出電流在Ipv=18.5mA處有偏移直線的情形,為在大電流時LED容易會有熱效應產生,所以會造成量測誤差。
b. 角度響應度
由於在圖7中PV cell必會收到大角度入射的光,因此我們將驗證PV cell對大角度入射光的響應度。量測設備為He-Ne laser632.8nm當做我們的入射光源,將PV cell置於旋轉平台,使入射光與PV cell法線夾角-65~65度,每5度量測一次PVcell輸出電流。
圖11 PV cell的角度響應
圖12 PV cell的角度響應誤差百分比
從圖11與圖12可以看出,在大角度所產生的誤差約3%。就LED晶圓一般的發光空間場型為Lambertian的分布,在65度的能量也已經約為中間強度的18%。且3%的誤差為雷射光點在大角度的入射會擴大,造成部分光是照在PVcell表面的Finger即非感光區上,造成誤差,因此大角度所產生的量測誤差是很小的。即當我們利用PVcell大面積收光的特性,其在對於大角度的光線是幾乎都可以完全吸收的,因此可以達到量測全光通量的目的。
4.結論
由於LED 晶圓全光通量量測目前沒有國際上大家可依循的規範,只能從實驗數據與量測誤差來尋找較為接近的量測方法,而我們經由PVcell對光能的線性度與相同能量不同角度入射的響應程度的實驗,可以將PV cell當做量測LED 晶圓的全光通量的一種方法,由於PVcell在近幾年也是快速蓬勃的發展,單晶矽PVcell更是發展了十幾年以上,其元件的取得便利性和穩定度都有其優勢。因此在未來對使用PVcell的量測系統提昇量測精確度與檢測速度為其中重要的課題,以提供另一種LED晶圓的全光通量量測方法。
Reference
[1] 工研院量測中心,楊富翔,顯示器光度/色彩設計原理講義 2008
[2] 吳貴能(2008),全光通量量測方法,LED照明與量測技術訓練班(一),20-30.
[3] CIE 127,”Measurement of LEDs”, 1997
[4] CIE 127 2nd edition ,”Measurement of LEDs”, 2007
[5] Color Science concepts and methods, quantitative data andformulae, 2nd edition,GUNTER WYSZECKI & W. S. STILES,John Wiley&Sons,Inc.1982
[6] INSTRUMENT SYSTEMS ISP250 Integrating sphere UserManual,2006.
[7] http://www.labsphere.com/
[8] www.technoteam.de/.../index_eng.htmlwww.npl.co.uk/server.php?show=conMediaFile.530
[9] www.avantechs.com/en/products.htmlhttp://hackedgadgets.com/2006/11/12/shimei-semiconductor-grows-blue-led-on-silicon-wafer/
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