Комплексное решение для контроля и калибровки параметров светодиодов (LED) на производстве и в сертификационных центрах

Технологический процесс изготовления светодиодов не всегда гарантирует, что, к примеру, «белый цвет» будет постоянен для приборов белого свечения. Светодиоды могут иметь синий или желтый оттенок в зависимости от угла обзора. И если несколько таких светодиодов будут использоваться в одном изделии, этот эффект станет визуально различим и нарушит гармонию. По этой причине при тестировании светодиодов требуется установка достаточно жестких допусков на оптические параметры. Особенно это важно, повторим, если светодиоды от различных изготовителей используются в одном и том же конечном продукте.

Хороший пример приведенному выше тезису представляют светодиодные дисплеи, которые содержат тысячи светодиодов и должны быть собраны из компонентов с согласованными характеристиками излучения, чтобы гарантировать хорошую цветовую однородность для всех углов обзора. Более того, некоторые приборы, в которых используются светодиоды как источники света, применяются в медицинских целях. Например, анализатор крови, который определяет концентрацию сахара в крови человека. В подобных приложениях излучающие характеристики светодиода являются жизненно важными параметрами и не могут быть оценены «на глазок», так как эти параметры непосредственно влияют на точность процесса химического анализа.

Пространственные излучающие характеристики

Свет, излучаемый светодиодом, испускается полупроводниковым крис-таллом. Физические характеристики материалов, используемых для производства кристалла, определяют спектр излучаемого света, доминирующую длину волны, цвет и т.д. Чтобы достичь желаемого пространственного распределения света в корпус прибора могут быть интегрированы различные линзы, отражатели и рассеиватели. Однако большое разнообразие материалов, корпусов и типов светодиодов приводит к тому, что потребитель рискует приобрести компоненты с отличными друг от друга параметрами, характеризующими пространственное распределение интенсивности свечения.

Точное определение зависимости интенсивности излучения от угла обзора необходимо для различных приложений. Например, LED-дисплей может иметь различный цвет в зависимости от угла обзора, если все светодиоды, входящие в состав панели, не имеют одинаковой диаграммы пространственного распределения (зависимость интенсивности свечения от угла обзора) (см. рис. 1). Существуют также обязательные требования к пространственному распределению интенсивности свечения светодиодов, используемых для сигналов светофора и автомобильных фар.

Рис. 1. Типовая диаграмма пространственного распределения интенсивности LED

Интенсивность излучения и сила света

Интенсивность излучения и сила света — исторически наиболее часто используемые параметры, характеризующие светодиоды. Основной подход при измерении силы света в строго физическом смысле подразумевает, что источник излучения точечный. Однако большинство светодиодов имеет относительно большую область излучения на относительно короткой дистанции, на которой должны быть проведены измерения. Это означает, что предположение о точечном источнике света больше не имеет смысла. Комитет CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) разработал понятие «усредненной силы света», чтобы решить эту проблему при реальных условиях измерений. Это понятие не вполне соответствует точному, физическому определению силы света. Вместо этого вводится понятие измерения частичного светового потока на установленном расстоянии и определенной площади приемника (см. рис. 2). Рекомендация CIE получила международное признание, так как метод обеспечивает сопоставимость измерений, проведенных в различных лабораториях.

Рис. 2. Принцип измерения «усредненной силы света»

Световой поток и мощность излучения

Световой поток — полная световая мощность, испускаемая светодиодом. Значение этого параметра крайне важно для таких изделий, как подсветка и LED-светильники. Световой поток и мощность определяются при помощи фотометрического шара либо гониофотометра.

Внутренняя область фотометрического шара однородно покрыта материалом, который является почти идеальным рассеивающим отражателем. Светодиод должен быть установлен в шар таким образом, чтобы основа корпуса светодиода находилась на касательной к внутренней поверхности сферы (см. рис. 3). Эта конфигурация наиболее близко имитирует условия реальных применений светодиодов. Гониофотометр применяет другой метод для определения светового потока или мощности излучения. Этот прибор измеряет полную диаграмму пространственного излучения и вычисляет значение светового потока, интегрируя измеренные значения.

Рис. 3. Принцип измерения светового потока при помощи фотометрического шара

Спектральные характеристики светодиодов

Спектральное распределение светового излучения светодиодов отличается от других источников излучения по многим аспектам. Оно не является ни монохромным, как у лазера, ни широкополосным, как у ламп накаливания. Спектр светодиода имеет определенную пиковую длину волны, которая зависит от технологического процесса производства, и спектральную ширину (FWHM) — обычно
15…100 нанометров.

Для определения спектральных характеристик используются спектрорадиометры. Измеряя спектр излучения, можно вычислить и другие дополнительные характеристики, такие как: пиковая длина волны, спектральная ширина, доминирующая длина волны, чистота цвета, цветовая температура т.д.

Решение для промышленности и лаборатории

Рис. 4. Комплекс FT-17 в промышленном многофункциональном исполнении

Решение описанных выше задач может быть выполнено с использованием комплексного предложения ООО «Совтест АТЕ» — тестера светодиодов FT-17 LED (см. рис. 4). Данное решение представляет собой комплекс средств измерений как электрических, так и оптических параметров светодиодов. В качестве измерителей электрических параметров используется серийно выпускаемый ООО «Совтест АТЕ» измерительный комплекс FT-17. Для контроля фото- и радиометрических параметров — оборудование компании Instruments System из Германии. Применяемое оборудование для контроля характеристик светодиодов полностью соответствует требованиям комитета CIE и позволяет провести тщательный анализ и калибровку оптоэлектронных компонентов и устройств.

Назначение комплекса:

– контроль параметров светодиодов на производстве;

– контроль параметров светодиодных модулей, панелей и дисплеев на производстве;

– сертификационные испытания;

– исследование физических характеристик оптоэлеткронных приборов и модулей.

Отличительные особенности комплекса:

– универсальность и гибкость системы, позволяющие осуществлять поставку заказчику решения «под ключ»;

– быстрая переналаживаемость в условиях производства;

– полное сооветствие требованиям международных стандартов по тестированию оптоэлектронных приборов;

– возможность интеграции системы с сортировщиками светодиодов и зондовыми установками для тестирования на кристалле;

– компактное исполнение (настольное) по запросу (см. рис. 5).

Рис. 5. Комплекс FT-17 в компактном настольном исполнении

Комплекс измерительный FT-17

Комплекс предназначен для задания и измерения электрических сигналов светодиодов. Состоит из PXI-шасси и набора измерительных инструментов, обеспечивающих полный спектр измерений параметров светодиодов. Комплекс может быть модернизирован для выполнения иных задач по тестированию элементной базы путем добавления специализированных PXI-мо-дулей.

В состав комплекса входит тестовый контроллер с предустановленным программным обеспечением, предназначенный для управления процессом выполнения тестовых последовательностей и формированием отчета.

Задаваемые и контролируемые параметры комплекса (в конфигурации FT-17 LED):

– значение падения напряжения на p-n-переходе;

– прямой ток;

– ток утечки;

– последовательное сопротивление p-n-перехода.

– Диапазон задания и измерения электрических параметров (в конфигурации FT-17 LED):

– задание/измерение напряжения в диапазоне: ±25 В (другие значения по запросу);

– задание/измерение тока в диапазоне: ±500 мА (другие значения по запросу);

– точность измерения напряжения/тока: ±0,05%.

Универсальные спектрометры фирмы Instruments System

Спектрометр предназначен для измерения оптических характеристик светодиодов и других твердотельных излучателей (см. рис. 6).

Рис. 6. Принцип действия спектрометра

Компания Instruments System предлагает обширный модельный ряд спектрометров, от Hi-End-исполнений до компактных, бюджетных вариантов (см. табл. 1). Все представители модельного ряда спектрометров способны измерять все оптические параметры в полном соответствии с требованиями комитета CIE. Прибор подключается к тестовому контроллеру FT-17 и управляется при помощи встроенного в тестовый контроллер программного обеспечения.

Таблица 1. Характеристики спектрометров компании

Модель спектрометра	MAS30	CAS140B	SPECTRO320
Применение	Бюджетный вариант для систем начального уровня, контроль световой индикации (панель приборов автомобиля)	Промышленные системы входного контроля и сертификационных испытаний	Hi-End-приложения, исследовательские режимы работы
Отличительная особенность	Компактность, низкая стоимость	Быстрое время измерения	Прецизионное измерение длины волны
Диапазон измерения спектра, нм	210…1 100	190…1 050	190…5000
Разрешение, нм	5…10	2…3,5	0,07…10
Время измерения, с	0,004…6	0,009…30	1…60
Сила света	0,5 мкд…5 кд	0,02 мкд…50 кд	0,01 мкд…2000 кд
Световой поток	1 млм…8 лм	0,04 млм…80 лм	0,02 млм…4000 лм

Тестовый адаптер

Тестовые адаптеры предназначены для непосредственного контактирования с измеряемыми светодиодами и замера их оптических параметров (см. рис. 7, 8). Измерение силы света и интенсивности свечения проводится в полном соответствии с рекомендациями комиссии CIE.

Рис. 7. Тестовые адаптеры с контактным устройством для измерения силы света отдельных светодиодов

Рис. 8. Тестовый адаптер для измерения параметров мощных светодиодов (диапазон температур до +85°)

Для измерения светового потока используются фотометрические шары (см рис. 9).

Рис. 9. Фотометрический шар для измерения светового потока отдельных светодиодов и светодиодных матриц

Программное обеспечение

Программное обеспечение комплекса FT-17 предназначено для обработки результатов измерений и автоматизации процесса тестирования. Основные характеристики ПО:

– удобный настраиваемый интерфейс оператора;

– автоматическое построение диаграмм пространственного распределения интенсивности свечения;

– автоматическое формирование файла фотометрических данных по формату IES;

– разделение доступа «администратор — оператор».