如何量测LED.doc

一、前言发光二极管(LightEmittingDiode;LED)是半导体材料制成的组件，为一种微细的固态光源，可将电能转换为光，其发光原理是在一顺偏之二极管p-n接合面处，自由电子与电洞发生复合作用(Recombination)，因自由电子由高能阶掉到能量较低的价带时，释放出能量而产生光与热，其不但体积小，且具有寿命长、驱动电压低、反应速率快、耐震性佳、耗电少、发热少、色彩纯度高等特性，不仅能够配合各种应用设备的轻、薄及小型化之需求，随着蓝光LED的开发，亦使得LEDDisplay得以全彩化，再加上白光LED的相继推出，更被誉为是下一代照明工业的主流。综上所述，随着LED应用的多元化，在其旋光性与电性的测试筛选上，自然较以往严格许多，试想，在一块显示看板上所使用的LED，若其彼此的光电特性差异过大，将造成各点亮度与颜色的不同，降低了整体均匀度，而影响呈现的品质，如此可见LED在品管测试上的重要性。以下本文将就LED的特性、旋光性相关量测单位、量测项目与CIE建议测试规范做一简介。二、LED的特性与影响因素空间辐射(SpatialRadiation)分布LED封装后的树脂外壳，除了具有保护晶粒的作用外，亦会影响LED发光的方向性，而所谓空间辐射分布，系指不同视角与LED的相对发光强度变化关系，即用以描述不同方向下，LED的发光强度变化，其系取决于LED的封装方式，如内建微透镜将可改变不同视角与相对发光强度的分布关系，以因应用途需求而强化其发光指向性(集中)或扩散性(分散)。光谱(Spectrum)分布因使用材料的不同，LED可设计出红、橙、黄、绿、蓝、紫等各颜色不同波段的光，以及红外、紫外等不可见光LED，且封装外壳颜色亦会对其光谱产生影响，其光谱半波宽(FWHM,FullWidthHalfMaximum)通常较窄，约数十奈米(nm)左右。工作电流LED的光强度与供应电流关系密切，是以量测时之供应电流须稳定，以免影响量测结果。三、旋光性量测单位全光通量(TotalLuminousFlux)不同波长之光辐射通量对人眼有不同权重之感应，光源之辐射通量依照其内各波长相对应之权重造成人眼所感应的通量，称之为光通量，单位为流明(Lumen;lm)，而全光通量则定义为光源向各方向所发射光通量之总和，其示意图如下。光强度(LuminousIntensity;IV)光强度定义为单位立体角所发射出的光通量，单位为烛光(Candela,cd)。一般而言，光源会向不同方向以不同强度放射出其光通量，在特定方向单位立体角所放出之可见光辐射强度即称之为光强度。示意图如下。色度(Chromaticity)人眼对色彩的感知是一种错综复杂的过程，为了将色彩的描述加以量化，国际照明协会（CIE）根据标准观测者的视觉实验，将人眼对不同波长的辐射能所引起的视觉感加以纪录，计算出红、绿、蓝三原色的配色函数，经过数学转换后即得所谓的CIE1931ColorMatchingFunction(x(),y(),z()，如下图所示。而根据此一配色函数，后续发展出数种色彩度量定义，使人们得以对色彩加以描述运用。根据CIE1931配色函数，将人眼对可见光的刺激值以XYZ表示，经下列公式换算得到x,y值，即CIE1931(x,y)色度坐标，透过此统一标准，对色彩的描述便得以量化并加以控制。x,y：CIE1931色度坐标值(ChromaticityCoordinates)然而，由于以(x,y)色度坐标所建构之色域为非均匀性，使色差难以量化表示，所以CIE于1976年将CIE1931色度坐标加以转换，使其所形成之色域为接近均匀之色度空间，让色彩差异得以量化表示，即CIE1976UCS(UniformChromaticityScale)色度坐标，以(u,v)表示主波长(D)其亦为表达颜色的方法之一，在得到待测件的色度坐标(x,y)后，将其标示于CIE色度坐标图(如下图)上，连结E光源色度点(色度坐标(x,y)=(0.333,0.333)与该点并延伸该连结线，此延长线与光谱轨迹(马蹄形)相交的波长值即称之为该待测件的主波长。惟应注意的是，此种标示方法下相同主波长将代表多个不同色度点，是以用于待测件色度点邻近光谱轨迹时较具意义，而白光LED则无法以此种方式描述其颜色特性。纯度(Purity)其为以主波长描述颜色时之辅助表示，以百分比计，定义为待测件色度坐标与E光源之色度坐标直线距离与E光源至该待测件主波长之光谱轨迹(SpectralLocus)色度坐标距离的百分比，纯度愈高，代表待测件的色度坐标愈接近其该主波长的光谱色，是以纯度愈高的待测件，愈适合以主波长描述其颜色特性，LED即是一例。色温(ColorTemperature)光源之辐射能量分布与某一绝对温度下之标准黑体(BlackBodyRadiator)辐射能量分布相同时，其光源色度与此黑体辐射之色度相同，此时光源色度以所对应之绝对温度表之，此温度称之为色温(ColorTemperature)，而在各温度下之黑体辐射所呈现之色度可在色度图上标出曲线，称之为蒲朗克轨迹(PlanckianLocus)。标准黑体的温度愈高，其辐射出的光线对人眼产生蓝色刺激愈多，红色刺激成分亦相对减少。然而在实际量测上，无任何光源具有跟黑体相同的辐射能量分布，换言之，待测光源之色度通常并未落在蒲朗克轨迹上。因此计算待测光源之色度坐标所最接近蒲朗克轨迹上某个坐标点，此点之黑体温度即定义为该光源之相关色温(CorrelatedColorTemperature;CCT)，通常以CIE1960UCS(u,v)色度图求之，并配合色差uv加以描述。须注意的是，此种表示方式对光源色度邻近蒲朗克轨迹时方具意义，是以对于LED量测而言，仅适用于白光LED之颜色描述。半功率角量测所谓半功率角定义为仰角0度时，由LED的几何中心点起算相对光强度为50的两点间所张之角度。其量测方式系以光侦测器依LED中心位置为0度，由-90度扫描至+90度，即可得该待测LED之空间辐射分布图，如下图所示。再依定义求得半功率角，惟须注意的是光侦测器的受光面积不宜太大，以免影响量测分辨率。全光通量量测光通量量测有双旋角光度计(Goniophotometer)与积分球(IntegratingSphere)量测两种方式，虽然双旋角光度计可得到精确的量测值，但由于设备昂贵且复杂，一般均采用积分球量测方式，其架构示意如下。须注意的是随待测LED大小不同，积分球开孔孔径亦会变化，使用之积分球大小亦须调整匹配。结论随着LED产品从早期的显示用途扩展到照明设备的应用，以及封装方式的多元化，如何正确地量测LED特性，并因应不同应用需求变化量测方式，已成为提升LED产品品质的重要课题，是以在进行LED量测时，须特别注意下列两个问题：1.测试方式是否依循国际公认之量测规范？为使量测结果可通用比较，测试方式须基于相同条件下方得以沟通，为此，国际照明协会考量LED的发光特性，制定了条件A与条件B二种不同测试条件，以量测不同辐射空间分布特性LED之平均光强度（CIE127-1997），是以在选择测试设备时，须注意其系统设计是否依循CIE测试规范？仪器校正是否追溯国家标准（如美国国家标准NIST或中华民国国家标准NML）？全光通量量测时积分球是否依待测LED尺寸大小选择合适之规格？以及积分球之几何设计是否合于CIE规范？2.LED之特性描述是否完整？为满足LED的多元应用需求，使用之测试设备须可提供以下诸项之测试结果：Iv、(x,y)、D、P、0.5、(u,v)、CCT、Purity、SpectralDistribution、SpatialRadiation、VF、IR、VBR、CVF与THY。且为因应多晶封装LED之测试需求，其测试系统之软硬件设计亦必须可支持。综上所述，LED业者若能对量测方式有正确认知并加以落实，将更能掌握LED的各种特性，进而改善其产品规格，提升附加价值，以利于各式产品的应用。LED晶圓與燈具量測方式大不同 目前LED晶片的尺寸範圍涵蓋從9毫米9毫米至14毫米14毫米，藍光與紅光LED 晶片電極結構並不相同(圖1)。當電極注入電流後，由晶片表面直接發光，其光學特性規格包括波峰值(Peak Wavelength,p)、主波長(Dominant Wavelength,d)、半高寬(Spectrum Half-Width,0.5)及光強度(Luminous Intensity)等。 LED為p-n接面(Junction)半導體元件(圖2)，其發光原理是利用將元件通電後，電子與電洞結合後，以光的形式釋出能量，達成發光的效果。由於LED的材料為III-V族化學元素，如磷化鎵(GaP)、砷化鎵(GaAs)等，而元件所釋出的光子能量依材料的差異，能帶差上亦有所不同，因此須在不同的發光波段使用不同的III-V族材料(圖3)。 LED屬於冷性發光，所釋出的光有將近1520%落在可見光頻譜的範圍。相較於一般燈泡，只有5%的發光能量位於可見光範圍，LED可說是現今可見光頻譜範圍中效率最高的光源。 LED晶圓與LED燈由於在尺寸架構及電極安排方式不同，因此在量測方法上也有所差異。LED晶圓須要以探針接觸電極進行驅動，因為晶片與晶片的間距小，電極與探針間須做精密的對位，所以LED晶圓的量測方法無法套用於LED燈的量測方法上。量測架構上主要的不同點在前端收光部分，LED燈使用套筒做光強度(Luminous Intensity)的量測，LED晶圓則使用積分球或是探針顯微鏡(Probe Microscope)，後文將有詳細描述。 環境溫度影響LED光學特性 LED的輸出光強度為順向電壓與順向電流的函數，在固定電流值的驅動下，須待數分鐘後，當半導體接合面的溫度達成熱平衡，電壓才會開始持穩，爾後LED的光譜才會穩定下來(圖4)。而在熱平衡之後，光譜分布會受LED晶片的環境溫度影響(圖5)。 除了藍光LED會朝短波長方向移動外，環境溫度升高會使光譜朝長波長方向移動，造成光譜形狀的改變，因此在測量LED的光學特性時，維持恆溫的環境是很重要的。一般在測量LED的光源特性時，標準驅動的直流電流為20毫安培，且環境溫度小於50oC。LED光譜半高寬(FWHM)介於15100奈米(圖 6)，波峰值由製程所決定，此兩參數均可由分光輻射計(Spectroradiometer)測量，並得到下列光譜參數： (1)波峰值：代表光強度最強的波長值，在實際應用上並不重要。原因是兩個不同的LED可能會有相同的波峰值，卻呈現不同顏色，因此通常採用主波長做為依據。 (2)半高寬：表示一半波峰強度值時對應的頻寬。 (3)主波長：表示LED在人眼所看到的顏色對應的波長。CIE1931色彩圖(Color Diagram)將參考光源的色度座標(CIE illuminant E)與待測LED的色度座標(x,y)座標)連成一線後，與圖7圖形邊界的交點定出主波長，用以決定LED的顏色。 (4)顏色純度(Color Purity)：表示顏色飽和的程度，定義在CIE1931的色彩圖上，以參考光源的色度座標與待測LED的色度座標距離，除以參考光源與主波長的距離獲得(圖7)。色度座標愈趨近於色彩圖的邊界，顏色純度愈趨近於100%，也就是單色光。判別兩顆LED是否相同時，主波長與顏色純度均須列入考量。 (5)光強度：表示LED光源在單位時間的單位立體角內所發出的光能量，此物理量適用於點光源，而針對封裝後LED燈光強度，則以平均光強度(Averaged LED Intensity)表示。 (6)相關色溫(CCT)：表示白光LED光源光色的程度。以黑體輻射最接近待測LED顏色時的溫度，來描述白光LED的顏色。 LED晶圓的光學參數量測 針對可見光LED而言，所須測量的光學參數可歸類為光度量測與色度量測(Photometric QuantitiesColorimetric Quantities)。光度量測與色度量測即是測量人眼在可見光頻譜範圍，一般定義在380780奈米範圍的反應。 在光度量測部分，項目包括全光通量(Luminous Flux)、光強度(Luminous Intensity)與照度(Illuminance)。測量LED燈的全光通量時，為使光均勻化，可將LED置於積分球內，然後由照度計來進行量測(圖 8)。照度計使用寬頻的偵測器加上濾光片組成V()偵測器，模擬人眼的光譜反應曲線，稱為1931 CIE Luminosity Function(圖9)，再配合流明與光電流間的校正關係，就可計算出光源在可見光範圍的總流明數，也就是全光通量。 至於測量LED燈的光強度時，則用照度計配合套筒進行量測(圖10)，其計算方法有二種。一是利用公式Ed2而得，也就是測得距離光源為d時的照度 E，經由公式計算後可得到光強度。二是測得面積為A的偵測器所接收到的總流明數後，再除以距離偵測器為R的光源的立體角，也就是A/R2，所得即為單位立體角所包含的流明數，也就是光強度。 在色度量測部分，項目包括之前所提的色度座標、顏色純度與相關色溫等，可使用積分球搭配分光輻射計測得LED燈的頻譜分布，然後依定義與1931 CIE決策加權函數(Color Weighting Functions)(圖11)搭配計算後便可以得到。 使用上述的量測方法應用於LED晶圓時將遇到以下問題： (1)上述儀器根據LED燈的量測標準CIE127進行設計，以測量光強度。CIE127是以固定的光偵測頭面積(100平方毫米)與幾何關係(Condition A與Condition B)所制訂的標準量測方法(圖12)，而目前針對LED晶圓仍無量測的標準。 (2)由於LED晶圓的驅動方式需要精密的探針定位，且電極製作於發光表面，故無法使用圖8的LED支架(Holder)及圖10的LED受容器(Receptor)進行量測。 (3)在光強度量測上，若以不直接接觸的方式與探頭進行量測，由於收光的立體角會隨著LED晶圓與探頭間的距離而改變，因此會有量測誤差。 目前市售的LED晶圓檢測系統依探頭種類可分為兩種：其一為使用積分球為探頭(圖13)，透過光纖引入分光計，取得