顯微光分布測試系統

　　LED光源是LED產品的心臟，主要功能就是把電能轉化成光能，因此注重光品質尤其重要！而當前，芯片廠和燈珠廠在LED光源設計過程中，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，并不能精確地描述光源的光分布情況，這樣容易導致光源的色度和亮度不均勻、光源整體效率低等問題，甚至導致光源失效。因此很有必要利用顯微光分布測試系統對光源進行發光均勻度測試來優化光源設計。

　　針對以上情況，金鑒實驗室聯合英國GMATG公司聯合推出顯微光分布測試系統，專注于LED產業改良打造，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！

　　金鑒實驗室聯合英國GMATG公司設立儀器研發中心，自主研發的主要設備有顯微光熱分布系統、顯微紅外定位系統和激光開封系統。產品獲得中科院、暨南大學、南昌大學、華南理工大學、華中科技大學、士蘭明芯、清華同方、華燦光電、三安光電、三安集成、天電光電、瑞豐光電等高校科研院所和上市公司的廣泛使用，廣受老師和科研人員普遍贊譽。性能卓著，值得信賴。

　　應用領域：

　　LED芯片電極設計、LED芯片規格電流優化、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、面板燈發光均勻度、汽車照明燈發光均勻度、燈具發光均勻度。

　　此設備與近場光學測試設備的區別：

　　近場光學設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設備大PK：

　　金鑒顯微光分布測試系統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。

　　遮光罩設計說明：

　　金鑒顯微光分布測試系統，具備獨特的遮光罩設計，隔絕了環境光的影響，大大增加了測試的準確性。

　　光分布探頭接收的是視野內所有的光信號，包括被測樣品發射的光以及環境反射光。光分布軟件雖然具有背景光扣除功能，但是在測試過程中，環境的變化會導致環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，受環境光變化的影響，芯片光分布圖部分區域異常偏暗；在使用遮光罩后，徹底屏蔽了環境光的影響，光分布圖異常偏暗區域消失。

　　如裝置示意圖，金鑒顯微光分布測試系統，具備獨特的遮光罩設計，隔絕了環境光的影響，大大增加了測試的準確性。

　　設備測試內容：

　　用于測量光源的光強分布、直徑、發散角等參數。通過CCD測量光強分布，通過算法計算出光源直徑等參數。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

　　系統特點:

　　1.模擬器件實際使用環境進行測試

　　LED光源的光熱性能受溫度的影響較大，脫離實際環境所測試的結果準確性較差，甚至毫無意義。而金鑒自主研發的顯微光分布測試系統配備有高低溫數顯精密控溫平臺，能穩定控制燈珠引腳和基板溫度，模擬實際使用環境進行測試，提供更為真實有效的數據。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光強度相差較大。該測試平臺還配備有水冷降溫系統，在100s內可將平臺溫度由100℃降到室溫，有效解決了樣品臺降溫困難的問題，該系統還可以穩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芯片發光均勻度對比圖

　　2.對LED芯片設計提供參考依據

　　技術背景：

　　當前，芯片廠在LED芯片電極圖案設計過程中，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，并不能精確地描述芯片的光分布情況，這樣容易導致芯片的色度和亮度不均勻、光源整體效率低等問題。而由于缺乏專業的測試設備和測試經驗，LED芯片廠對芯片發光不均勻的現象束手無策，沒有直觀的數據支持，無法從根本上改進芯片品質。

　　金鑒實驗室顯微光分布測試系統，方便客戶了解芯片性能，認清芯片電極設計的方向。通過LED芯片發光均勻度測試，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光圖像，接收被測芯片的光信號，提供芯片發光效果圖和光強數據。其中，芯片發光效果圖能直觀地體現出芯片發光的均勻程度，判斷電極圖案設計的優劣，明確改進方向，優化電極圖案。

　　發光均勻度評判電極圖案設計的優劣：

　　芯片的電極圖案對芯片的整體亮度、發光效率、電壓大小影響較大。根據芯片的發光均勻度進行電極圖案優化后，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，降低工作電壓，減小串聯電阻，減少焦耳熱的產生，減弱紅移現象，從而提升芯片的可靠性。

　　優化電極圖案的過程中，要兼顧電流擴展性和遮光面積。例如，對于電極圖案設計，可增加低亮度區域金手指的長度，來增加電流擴展性，提升低亮度區域的亮度；同樣，也可以縮小高亮地區的金手指寬度，減少該區域的電流擴展性，降低亮度，以達到提高芯片整體發光均勻度的目的。又例如，對于低亮度區域還可以設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光均勻度的目的。一般，在發光均勻度滿足要求的情況下，要盡量減少遮光面積，提升發光效率。

　　案例分析一：

　　某芯片廠需對其產品的電極圖案進行評估，委托金鑒實驗室進行LED芯片發光均勻度測試。測試后發光效果如圖一所示，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光不均勻，區域1的亮度明顯過高；相反地，區域2的LED量子阱卻未被充分激活，降低了芯片的發光效率。對此，金鑒建議，可以適當增加區域1及其對稱位置的電極間距離或減小電極厚度來降低區域1亮度，也可以減少區域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域2亮度，以達到使芯片整體發光更加均勻的目的。

　　圖一 LED芯片發光效果圖

　　案例分析二：

　　某芯片公司委托金鑒測試發光均勻度，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，芯片整體發光比較均勻，但仍然美中不足。

　　其中，區域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，提升發光均勻度。區域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邊緣聚積現象，兩種方法均能減少區域3亮度。另外，也可以增加區域3外的金手指厚度，使區域3外金手指附近的電流密度增加，提升區域3外各金手指的電流密度，以上建議可作為發光均勻度方面的改善，以達到使芯片整體發光更加均勻的目的。

　　在達到或超過了芯片整體發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芯片發光效果圖

　　3.LED燈珠發光均勻度測試

　　對于LED光源，特別是白光光源，由于電極設計、芯片結構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，方便客戶了解燈珠發光均勻度性能，認清改進設計的方向。

　　COB燈珠外觀圖

　　如下圖所示，COB燈珠在點亮時，金鑒顯微光分布測試系統測得該燈珠光分布不均，發光質量較差，燈珠右邊區域亮度相比左邊區域低30%。分析其原因，燈珠基板的電阻不均勻，導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光強度出現差異。

　　a.顯微鏡下光學圖 ? ? ? ? ? ? ? b. 光分布測試圖

　　光分布測試3D圖—正面

　　光分布測試3D圖—側面

　　案例分析三：

　　某芯片公司需對其芯片產品進行光品質評估，委托金鑒實驗室在指定電流下（30mA、60mA、90mA）對芯片進行LED芯片發光均勻度測試。金鑒工程師利用金鑒自主研發的芯片顯微光分布測試系統對客戶送測LED芯片點亮測試。

　　點亮條件：30mA、60mA、90mA

　　測試環境溫度：20~25℃/40~60%RH。

　　測試結果見下圖所示，可知在不同電流下，LED芯片發光分布區別明顯，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測試發現，該芯片在額定電流下工作，芯片是存在發光不均勻的現象。通過光強標尺比較，其負極附近區域比正極負極區域發光強度高15%左右。建議針對芯片電極設計做適當優化，以提高發光效率和產品可靠性。

　　該芯片不同電流下（30mA、60mA、90mA）都存在發光不均的現象，芯片正極區域光強明顯低于負極區域光強。通過統一的亮度標尺比較，當芯片超電流（90mA）使用時，金鑒顯微光分布測試系統測試，我們發現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

　　關于芯片的主要研究集中在如何提高內外量效率和光提取效率方面，芯片襯底圖形化設計、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。

　　如芯片的側面光學圖所示，該芯片采用了多刀隱切工藝，芯片側面非常粗糙，粗糙界面可以反射芯片側面出射的光，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 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?芯片側面光學圖片

　　5.LED失效分析

　　金鑒顯微光分布測試系統除了能幫助研發人員優化芯片設計，還是用于品質分析的神兵利器。光學性能是LED光源最主要的性能，當其出現失效時，必然會在光學性能上表現出異常，通過顯微光分布測試系統我們可以輕松的發現其光學性能的變化，從而準確定位失效點，大大提高了客訴時效性。

　　某芯片出現漏電光衰現象，使用金鑒顯微光分布測試系統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，芯片只在局部區域發光。對芯片發光區域邊緣進行重點分析，我們發現LED芯片在使用過程中受到過流沖擊，出現擊穿以及金道熔斷現象，使得電流在芯片內的橫向擴展受阻，形成局部發光的現象。

　　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，老化出現電壓升高的現象，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發現芯片主要在正極附近區域發光。因此，定位芯片正極做氬離子截面拋光，發現正極底部SiO2層邊緣傾角過大，ITO層在臺階位置出現斷裂、虛接現象，ITO層電阻過大，電流擴散受阻，出現電壓升高異常現象。

　　使用金鑒顯微光分布測試系統觀察電壓升高樣品，發現芯片只在正極局部區域發光，結合芯片表面結構完整，無漏電異常現象，推斷芯片內部結構異常導致電流擴散受阻。

　　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，發現異常芯片正極底部SiO2層邊緣傾角過大，ITO層在臺階位置出現斷裂、虛接現象，導致LED芯片內部電流擴散受阻，出現電壓升高異常現象。

　　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嚴重光衰現象，金鑒通過顯微光分布測試OK和NG芯片光分布如圖所示，對比發現NG芯片發光不均勻，呈平行亮暗條紋狀，芯片暗區的出現造成芯片整體亮度偏低。

　　LED芯片光分布圖

　　FIB切割發光異常區域：

　　使用FIB對芯片發光異常區域進行切割，對比OK芯片和NG芯片，發現芯片邊緣區域都存在開裂，OK芯片裂紋較淺，NG芯片開裂嚴重。芯片開裂一般為應力導致，這可能為芯片外延應力或者芯片切割應力。在應力的作用下，芯片一般會在邊緣位置最先產生開裂，開裂后芯片內阻增大，造成發光衰減。

　　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，幫助提升其產品性能和質量。

　　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現，該燈珠兩顆芯片發光強度不一致，B芯片發光強度明顯較強，說明B芯片內的電流密度較大，這種情況將會嚴重影響燈珠光品質及可靠性。其原因是：LED芯片較小的電壓波動會產生較大的電流變化，該燈珠兩顆芯片采用并聯方式工作，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，從而出現一個燈珠內兩顆芯片上的電流密度大小出現差異。客戶針對此種情況，加強對來料芯片電壓分BIN的卡控后，杜絕了該種異常現象，其燈珠光品質及可靠性得到大大提高。

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