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顯微光分布測試系統(tǒng)
LED光源是LED產(chǎn)品的心臟，主要功能就是把電能轉(zhuǎn)化成光能，因此注重光品質(zhì)尤其重要！而當前，芯片廠和燈珠廠在LED光源設(shè)計過程中，僅僅是針對光源進行相對簡單的測量，獲得整體的亮度、波長和電壓等參數(shù)，并不能精確地描述光源的光分布情況，這樣容易導(dǎo)致光源的色度和亮度不均勻、光源整體效率低等問題，甚至導(dǎo)致光源失效。因此很有必要利用顯微光分布測試系統(tǒng)對光源進行發(fā)光均勻度測試來優(yōu)化光源設(shè)計。
針對以上情況，金鑒實驗室聯(lián)合英國GMATG公司聯(lián)合推出顯微光分布測試系統(tǒng)，專注于LED產(chǎn)業(yè)改良打造，先已演化到第四代，而且價格從150萬降到幾十萬！訂貨期3個月，歡迎選購！
金鑒實驗室聯(lián)合英國GMATG公司設(shè)立儀器研發(fā)中心，自主研發(fā)的主要設(shè)備有顯微光熱分布系統(tǒng)、顯微紅外定位系統(tǒng)和激光開封系統(tǒng)。產(chǎn)品獲得中科院、暨南大學(xué)、南昌大學(xué)、華南理工大學(xué)、華中科技大學(xué)、士蘭明芯、清華同方、華燦光電、三安光電、三安集成、天電光電、瑞豐光電等高?？蒲性核蜕鲜泄镜膹V泛使用，廣受老師和科研人員普遍贊譽。性能卓著，值得信賴。
應(yīng)用領(lǐng)域：
LED芯片電極設(shè)計、LED芯片規(guī)格電流優(yōu)化、芯片出光率、LED芯片來料檢驗、LED芯片失效分析、燈珠燈具的光線追跡、面板燈發(fā)光均勻度、汽車照明燈發(fā)光均勻度、燈具發(fā)光均勻度。
此設(shè)備與近場光學(xué)測試設(shè)備的區(qū)別：
近場光學(xué)設(shè)備與金鑒顯微光分布探頭對LED光敏感度差異對比：
金鑒顯微光分布探頭對光敏感度較高，能分辨細小的光強差異，因此成像也更細膩。
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金鑒顯微光分布與傳統(tǒng)設(shè)備大PK：
金鑒顯微光分布測試系統(tǒng)可模擬工作溫度進行測試，分辨率可達1微米，其具有3D功能，可觀測芯片出光效果。
遮光罩設(shè)計說明：
金鑒顯微光分布測試系統(tǒng)，具備獨特的遮光罩設(shè)計，隔絕了環(huán)境光的影響，大大增加了測試的準確性。
光分布探頭接收的是視野內(nèi)所有的光信號，包括被測樣品發(fā)射的光以及環(huán)境反射光。光分布軟件雖然具有背景光扣除功能，但是在測試過程中，環(huán)境的變化會導(dǎo)致環(huán)境反射光強度的變化，造成測試不準確。如上圖所示，在不使用遮光罩的情況下，受環(huán)境光變化的影響，芯片光分布圖部分區(qū)域異常偏暗；在使用遮光罩后，徹底屏蔽了環(huán)境光的影響，光分布圖異常偏暗區(qū)域消失。
如裝置示意圖，金鑒顯微光分布測試系統(tǒng)，具備獨特的遮光罩設(shè)計，隔絕了環(huán)境光的影響，大大增加了測試的準確性。
設(shè)備測試內(nèi)容：
用于測量光源的光強分布、直徑、發(fā)散角等參數(shù)。通過CCD測量光強分布，通過算法計算出光源直徑等參數(shù)。測量光強的相對強度，不需要使用標準燈進行校準。
芯片2D光分布圖
芯片3D光分布圖
系統(tǒng)特點:
1.模擬器件實際使用環(huán)境進行測試
LED光源的光熱性能受溫度的影響較大，脫離實際環(huán)境所測試的結(jié)果準確性較差，甚至毫無意義。而金鑒自主研發(fā)的顯微光分布測試系統(tǒng)配備有高低溫數(shù)顯精密控溫平臺，能穩(wěn)定控制燈珠引腳和基板溫度，模擬實際使用環(huán)境進行測試，提供更為真實有效的數(shù)據(jù)。如下圖所示，固定其他條件不變，分別控制引腳溫度為80℃和120℃，測試得到的光分布圖，不同溫度下芯片的發(fā)光強度相差較大。該測試平臺還配備有水冷降溫系統(tǒng)，在100s內(nèi)可將平臺溫度由100℃降到室溫，有效解決了樣品臺降溫困難的問題，該系統(tǒng)還可以穩(wěn)定控制樣品臺溫度維持在0℃-室溫，適用于部分需要保持低溫工作的器件。
不同工作溫度下的LED芯片發(fā)光均勻度對比圖
2.對LED芯片設(shè)計提供參考依據(jù)
技術(shù)背景：
當前，芯片廠在LED芯片電極圖案設(shè)計過程中，僅僅是針對芯片進行相對簡單的測量，獲得整體的亮度、波長和電壓等參數(shù)，并不能精確地描述芯片的光分布情況，這樣容易導(dǎo)致芯片的色度和亮度不均勻、光源整體效率低等問題。而由于缺乏專業(yè)的測試設(shè)備和測試經(jīng)驗，LED芯片廠對芯片發(fā)光不均勻的現(xiàn)象束手無策，沒有直觀的數(shù)據(jù)支持，無法從根本上改進芯片品質(zhì)。
金鑒實驗室顯微光分布測試系統(tǒng)，方便客戶了解芯片性能，認清芯片電極設(shè)計的方向。通過LED芯片發(fā)光均勻度測試，可以從特定角度拍攝芯片影像，建立一個芯片亮度輸出的發(fā)光圖像，接收被測芯片的光信號，提供芯片發(fā)光效果圖和光強數(shù)據(jù)。其中，芯片發(fā)光效果圖能直觀地體現(xiàn)出芯片發(fā)光的均勻程度，判斷電極圖案設(shè)計的優(yōu)劣，明確改進方向，優(yōu)化電極圖案。
發(fā)光均勻度評判電極圖案設(shè)計的優(yōu)劣：
芯片的電極圖案對芯片的整體亮度、發(fā)光效率、電壓大小影響較大。根據(jù)芯片的發(fā)光均勻度進行電極圖案優(yōu)化后，可以改善電流擴展分布能力，提高電流分布的均勻性，減小電流聚集效應(yīng)，降低工作電壓，減小串聯(lián)電阻，減少焦耳熱的產(chǎn)生，減弱紅移現(xiàn)象，從而提升芯片的可靠性。
優(yōu)化電極圖案的過程中，要兼顧電流擴展性和遮光面積。例如，對于電極圖案設(shè)計，可增加低亮度區(qū)域金手指的長度，來增加電流擴展性，提升低亮度區(qū)域的亮度；同樣，也可以縮小高亮地區(qū)的金手指寬度，減少該區(qū)域的電流擴展性，降低亮度，以達到提高芯片整體發(fā)光均勻度的目的。又例如，對于低亮度區(qū)域還可以設(shè)置電流擴展層或增加電流擴展層厚度，以增加電流擴展性；相反，對于高亮度就可以設(shè)置電流阻擋層來減小電流密度，以形成均勻分布的電流，同樣可以達到提高芯片整體發(fā)光均勻度的目的。一般，在發(fā)光均勻度滿足要求的情況下，要盡量減少遮光面積，提升發(fā)光效率。
案例分析一：
某芯片廠需對其產(chǎn)品的電極圖案進行評估，委托金鑒實驗室進行LED芯片發(fā)光均勻度測試。測試后發(fā)光效果如圖一所示，圖中芯片下面兩個焊點連接負極，上面兩個焊點連接正極，最右邊為亮度刻度，從圖中可明顯看出芯片的發(fā)光不均勻，區(qū)域1的亮度明顯過高；相反地，區(qū)域2的LED量子阱卻未被充分激活，降低了芯片的發(fā)光效率。對此，金鑒建議，可以適當增加區(qū)域1及其對稱位置的電極間距離或減小電極厚度來降低區(qū)域1亮度，也可以減少區(qū)域2金手指間距離或增加正中間正極金手指的厚度來增加區(qū)域2亮度，以達到使芯片整體發(fā)光更加均勻的目的。
圖一 LED芯片發(fā)光效果圖
案例分析二：
某芯片公司委托金鑒測試發(fā)光均勻度，測試后效果圖如圖二所示。圖中芯片左邊兩個電極為負極，右邊兩個電極為正極，對比最右邊的亮度刻度，可以看出，芯片整體發(fā)光比較均勻，但仍然美中不足。
其中，區(qū)域1、2的電流擴展性不夠，需提高其電流密度，建議延長最近的正電極金手指，使電流擴展程度增加，提升發(fā)光均勻度。區(qū)域3金手指位置的亮度稍微超出平均亮度，可減少金手指厚度來改善電流密度，或者改善金手指的MESA邊緣聚積現(xiàn)象，兩種方法均能減少區(qū)域3亮度。另外，也可以增加區(qū)域3外的金手指厚度，使區(qū)域3外金手指附近的電流密度增加，提升區(qū)域3外各金手指的電流密度，以上建議可作為發(fā)光均勻度方面的改善，以達到使芯片整體發(fā)光更加均勻的目的。
在達到或超過了芯片整體發(fā)光均勻度要求的前提下，可考慮減小金手指厚度來減少非金屬電極的遮光面積，以提升亮度。甚至，可以為了更高的光效犧牲一定的金手指長度和寬度。
圖二 LED芯片發(fā)光效果圖
3.LED燈珠發(fā)光均勻度測試
對于LED光源，特別是白光光源，由于電極設(shè)計、芯片結(jié)構(gòu)以及熒光粉涂敷方式等影響，其表面的亮度和顏色并不是均勻分布的。金鑒實驗室顯微光分布測試系統(tǒng)，方便客戶了解燈珠發(fā)光均勻度性能，認清改進設(shè)計的方向。
COB燈珠外觀圖
如下圖所示，COB燈珠在點亮?xí)r，金鑒顯微光分布測試系統(tǒng)測得該燈珠光分布不均，發(fā)光質(zhì)量較差，燈珠右邊區(qū)域亮度相比左邊區(qū)域低30%。分析其原因，燈珠基板的電阻不均勻，導(dǎo)致燈珠左右兩邊的芯片所加載的電壓不一致，造成燈珠左右兩邊芯片的發(fā)光強度出現(xiàn)差異。
a.顯微鏡下光學(xué)圖 ? ? ? ? ? ? ? b. 光分布測試圖
光分布測試3D圖—正面
光分布測試3D圖—側(cè)面
案例分析三：
某芯片公司需對其芯片產(chǎn)品進行光品質(zhì)評估，委托金鑒實驗室在指定電流下（30mA、60mA、90mA）對芯片進行LED芯片發(fā)光均勻度測試。金鑒工程師利用金鑒自主研發(fā)的芯片顯微光分布測試系統(tǒng)對客戶送測LED芯片點亮測試。
點亮條件：30mA、60mA、90mA
測試環(huán)境溫度：20~25℃/40~60%RH。
測試結(jié)果見下圖所示，可知在不同電流下，LED芯片發(fā)光分布區(qū)別明顯，其中60mA為廠家推薦使用電流。
不同加載電流下的芯片光分布
在額定電流為60mA測試。金鑒通過顯微光分布測試系統(tǒng)測試發(fā)現(xiàn)，該芯片在額定電流下工作，芯片是存在發(fā)光不均勻的現(xiàn)象。通過光強標尺比較，其負極附近區(qū)域比正極負極區(qū)域發(fā)光強度高15%左右。建議針對芯片電極設(shè)計做適當優(yōu)化，以提高發(fā)光效率和產(chǎn)品可靠性。
該芯片不同電流下（30mA、60mA、90mA）都存在發(fā)光不均的現(xiàn)象，芯片正極區(qū)域光強明顯低于負極區(qū)域光強。通過統(tǒng)一的亮度標尺比較，當芯片超電流（90mA）使用時，金鑒顯微光分布測試系統(tǒng)測試，我們發(fā)現(xiàn)過多的電流并沒有是芯片更亮，反而亮度減弱。
4.3D圖顯示芯片的出光率、燈珠燈具的光線追跡
關(guān)于芯片的主要研究集中在如何提高內(nèi)外量效率和光提取效率方面，芯片襯底圖形化設(shè)計、隱形切割工藝等都可以提高芯片光提取效率，然而芯片廠內(nèi)對于光提取效率的測試手段少之又少，金鑒顯微光分布軟件3D測試模塊可以觀察芯片各區(qū)域的出光強度，進而評估芯片的光提取效率，填補這一空白。
以下為某款倒裝芯片的3D光分布圖，芯片出光面光分布圖表現(xiàn)為凹凸不平的鋸齒狀，這是因為該芯片采用了圖形化襯底，改變了全反射光的出射角，增加了該倒裝芯片的光從藍寶石襯底出射的幾率，從而提高了光的提取效率，使得芯片出光面的出光強度大小不一。
如芯片的側(cè)面光學(xué)圖所示，該芯片采用了多刀隱切工藝，芯片側(cè)面非常粗糙，粗糙界面可以反射芯片側(cè)面出射的光，提高芯片的光提取效率。從該芯片的3D光分布圖中可以直觀的看到，該芯片邊緣出光較多，說明多刀隱切工藝對芯片出光效率的提升顯著。但是，芯片邊緣出光強度并不均勻，表明該多刀隱切工藝仍有優(yōu)化的空間，可以進一步提高芯片的光提取效率。
? ? ? ?芯片3D光分布圖 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?芯片側(cè)面光學(xué)圖片
5.LED失效分析
金鑒顯微光分布測試系統(tǒng)除了能幫助研發(fā)人員優(yōu)化芯片設(shè)計，還是用于品質(zhì)分析的神兵利器。光學(xué)性能是LED光源最主要的性能，當其出現(xiàn)失效時，必然會在光學(xué)性能上表現(xiàn)出異常，通過顯微光分布測試系統(tǒng)我們可以輕松的發(fā)現(xiàn)其光學(xué)性能的變化，從而準確定位失效點，大大提高了客訴時效性。
某芯片出現(xiàn)漏電光衰現(xiàn)象，使用金鑒顯微光分布測試系統(tǒng)測試漏電芯片的光分布圖如下所示，從中可以很直觀的看出，芯片只在局部區(qū)域發(fā)光。對芯片發(fā)光區(qū)域邊緣進行重點分析，我們發(fā)現(xiàn)LED芯片在使用過程中受到過流沖擊，出現(xiàn)擊穿以及金道熔斷現(xiàn)象，使得電流在芯片內(nèi)的橫向擴展受阻，形成局部發(fā)光的現(xiàn)象。
LED漏電芯片光分布圖
案例分析四：
某燈珠廠家把芯片封裝成燈珠后，老化出現(xiàn)電壓升高的現(xiàn)象，委托金鑒查找原因。本案例中，金鑒通過顯微光分布測試系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)芯片主要在正極附近區(qū)域發(fā)光。因此，定位芯片正極做氬離子截面拋光，發(fā)現(xiàn)正極底部SiO2層邊緣傾角過大，ITO層在臺階位置出現(xiàn)斷裂、虛接現(xiàn)象，ITO層電阻過大，電流擴散受阻，出現(xiàn)電壓升高異?，F(xiàn)象。
使用金鑒顯微光分布測試系統(tǒng)觀察電壓升高樣品，發(fā)現(xiàn)芯片只在正極局部區(qū)域發(fā)光，結(jié)合芯片表面結(jié)構(gòu)完整，無漏電異?，F(xiàn)象，推斷芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)異常導(dǎo)致電流擴散受阻。
LED芯片光分布圖
定位芯片正極做氬離子截面拋光，對比正常芯片和異常芯片的截面圖，發(fā)現(xiàn)異常芯片正極底部SiO2層邊緣傾角過大，ITO層在臺階位置出現(xiàn)斷裂、虛接現(xiàn)象，導(dǎo)致LED芯片內(nèi)部電流擴散受阻，出現(xiàn)電壓升高異?，F(xiàn)象。
LED芯片氬離子截面拋后截面形貌觀察
案例分析五：
某燈珠廠的燈珠在使用過程中出現(xiàn)嚴重光衰現(xiàn)象，金鑒通過顯微光分布測試OK和NG芯片光分布如圖所示，對比發(fā)現(xiàn)NG芯片發(fā)光不均勻，呈平行亮暗條紋狀，芯片暗區(qū)的出現(xiàn)造成芯片整體亮度偏低。
LED芯片光分布圖
FIB切割發(fā)光異常區(qū)域：
使用FIB對芯片發(fā)光異常區(qū)域進行切割，對比OK芯片和NG芯片，發(fā)現(xiàn)芯片邊緣區(qū)域都存在開裂，OK芯片裂紋較淺，NG芯片開裂嚴重。芯片開裂一般為應(yīng)力導(dǎo)致，這可能為芯片外延應(yīng)力或者芯片切割應(yīng)力。在應(yīng)力的作用下，芯片一般會在邊緣位置最先產(chǎn)生開裂，開裂后芯片內(nèi)阻增大，造成發(fā)光衰減。
LED芯片截面形貌觀察
案例分析六：
客戶送測LED燈珠，委托金鑒進行燈珠體檢，幫助提升其產(chǎn)品性能和質(zhì)量。
顯微光分布測試燈珠芯片光分布：
LED燈珠外觀圖及芯片光分布圖
從光分布圖中我們發(fā)現(xiàn)，該燈珠兩顆芯片發(fā)光強度不一致，B芯片發(fā)光強度明顯較強，說明B芯片內(nèi)的電流密度較大，這種情況將會嚴重影響燈珠光品質(zhì)及可靠性。其原因是：LED芯片較小的電壓波動會產(chǎn)生較大的電流變化，該燈珠兩顆芯片采用并聯(lián)方式工作，兩顆芯片兩端的電壓一樣，芯片電阻之間的差異會造成流過兩顆芯片的電流存在較大差異，從而出現(xiàn)一個燈珠內(nèi)兩顆芯片上的電流密度大小出現(xiàn)差異。客戶針對此種情況，加強對來料芯片電壓分BIN的卡控后，杜絕了該種異常現(xiàn)象，其燈珠光品質(zhì)及可靠性得到大大提高。
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