СПОСОБ ТЕСТИРОВАНИЯ СВЕТОДИОДА
LED TESTING METHOD

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для тестирования качества полупроводниковых приборов, в частности светодиодов, с целью выявления в них дефектов, обусловленных дефектностью структуры, качеством монтажа, неравномерностью растекания тока и другими факторами.
Одной из главных тенденций в разработке полупроводниковых приборов, в частности мощных светодиодов (СД), является повышение рабочих токов, увеличение размеров излучающих кристаллов и плотности их монтажа, усложнение геометрии контактов и других элементов конструкции. При этом особую актуальность приобретает сохранение надежности и ресурса работы приборов, а также выявление некачественных и потенциально ненадежных образцов указанных изделий.
Известен способ тестирования СД на основе анализа спектральных характеристик излучения [RU 2521119].
Согласно способу для каждой светодиодной структуры из партии изделий регистрируют спектр электролюминесценции, проводят построение зарегистрированного спектра в полулогарифмическом масштабе, разделяют коротковолновую область полученного спектра на участки, которые аппроксимируют определенной зависимостью, и выбирают аппроксимированные участки с максимальным и минимальным наклоном. Определяют максимальную и минимальную температуры светодиодной структуры на выбранных участках, вычисляют среднее значение разницы температур, которое выбирают в качестве критерия наличия дефектов светодиодной структуры. Проводят сравнение значения разницы температур для каждой светодиодной структуры с указанным критерием и, если значение разницы температур больше среднего, делают вывод о низком качестве структуры.
Недостатком рассматриваемого способа является сильная зависимость полученных результатов от конкретного материала и структуры прибора, неоднозначность их интерпретации. Так, для широко используемых СД на основе InGaN/GaN, форма спектральной характеристики, включая наклон коротковолнового плеча, определяется рядом факторов. При этом выделение температурной составляющей, и на ее основе степени дефектности структуры СД, может сопровождаться существенными погрешностями.
Кроме того, рассматриваемый способ не позволяет выявить ряд конструктивных и технологических недостатков, в частности дефектов, обусловленных технологией монтажа кристалла СД на основание корпуса.
Более чувствительными и эффективными методами тестирования СД с целью выявления в них дефектов являются методы диагностического контроля по тепловым параметрам, в частности, по величине теплового сопротивления СД.
Тепловое сопротивление СД, определяющееся изменением температуры СД относительно окружающей среды за счет выделяющейся в нем мощности (ΔТ/ΔР), является важным показателем качества, от которого зависят допустимые нагрузки, а также надежность и ресурс работы СД. При этом тепловое сопротивление СД весьма чувствительно как к дефектам его внутренней структуры, так и к недостаткам, связанным с его конструкцией и технологией изготовления. Отклонение значения теплового сопротивления в большую сторону от среднестатистического значения для одного и того же типа изделий свидетельствует о скрытых дефектах СД (дефектах структуры, конструкции или монтажа).
Наиболее точно оценить тепловое сопротивление СД позволяют методы, основанные на исследовании динамики температурного отклика на скачкообразное изменение греющего тока, в ходе которых расчетно-экспериментальным путем получают кумулятивную структурную функцию (или дифференциальную структурную функцию), отображающую значение не только общего теплового сопротивления СД, но и теплового сопротивления отдельных элементов его конструкции (эквивалентной тепловой цепи) [см., например, Андреас Попп. "Учет тепловых параметров светодиодов для создания надежных осветительных систем. Журнал «Современная светотехника», 2015 г., №2, с. 16-19].
Известен способ тестирования светодиода [J. Hu, L. Yang, et al. MECHANISM AND THERMAL EFFECT OF DELAMINATION IN LIGHT - EMITTING DIODE PACKAGES. URL:https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-00189481/document], который выбран в качестве ближайшего аналога.
Согласно данному способу через исследуемый СД пропускают ступенчато изменяющийся электрический греющий ток, под действием которого происходит нагрев СД. В процессе разогрева СД периодически на короткое время (до нескольких десятков микросекунд), отключают греющий ток и измеряют температурочувствительный параметр (ТЧП), характеризующий изменение температуры СД. В качестве указанного параметра используют прямое падение напряжения на р-n-переходе. Для определения теплового сопротивления на основе математической обработки изменения ТЧП в процессе разогрева, с помощью программного обеспечения прибора T3Ster, получают дифференциальную структурную функцию, позволяющую определить не только общее тепловое сопротивление СД, но и тепловое сопротивление отдельных участков его теплового тракта.
Указанную процедуру измерения теплового сопротивления проводят периодически в течение определенной наработки (например, 1000 часов) в предельном или номинальном рабочем режиме.
Если величина теплового сопротивления СД (или отдельных элементов его конструкции) в процессе его тестовой наработки превысит заданное значение, то делается вывод о его дефектности.
Недостатком рассматриваемого способа является его ограниченная чувствительность. Ряд дефектов, таких как незначительные по размеру структурные дефекты, или дефекты монтажа, могут не проявиться в диапазоне разброса значений теплового сопротивления. Кроме того, рассматриваемый метод требует длительных тестовых испытаний (до сотен часов).
Задачей заявляемого изобретения является повышение чувствительности способа тестирования и снижение временных затрат на проведение тестирования.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что в способе тестирования светодиода, включающем пропускание через светодиод ступенчато изменяющегося электрического тока, измерение температурочувствительного параметра, характеризующего изменение температуры светодиода под действием ступенчато изменяющегося электрического тока, определение теплового сопротивления светодиода путем обработки измеренных значений температурочувствительного параметра, при этом на основе значения теплового сопротивления светодиода судят о наличии дефекта в светодиоде, согласно изобретению определяют первое и второе значения теплового сопротивления светодиода при двух значениях пропускаемого через светодиод ступенчато изменяющегося электрического тока, имеющего соответственно относительно малую и относительно большую величину, о наличии дефекта в светодиоде судят по величине разности значений первого и второго тепловых сопротивлений, при этом в случае, когда величина указанной разности превышает заданное значение, делают вывод о наличии дефекта в светодиоде.
Заявляемый способ основан на исследовании динамики температурного отклика СД на ступенчатое изменение греющего тока (переходной тепловой характеристике).
Принципиально важным является то, что авторами предложен новый информативный параметр оценки качества СД, которым служит разность значений теплового сопротивления СД, определяемого при относительно малой и относительно большой величине греющего тока.
Если в СД отсутствуют дефекты (дефекты структуры, типа каналов утечки или конструктивные недостатки, например, такие, как неоптимальная топология контактов с точки зрения равномерного токорастекания или технологические нарушения контактов, монтажа и прочее), то условия распределения плотности тока, генерации тепла и его отвода слабо зависят от величины греющего тока, и значение теплового сопротивления СД имеет величину, близкую к постоянной.
Если же в СД указанные дефекты присутствуют, то с ростом греющего тока происходит значительный рост теплового сопротивления СД в целом и тепловых сопротивлений отдельных его элементов. Это обусловлено рядом факторов. Так, с ростом греющего тока нарастает неравномерность распределения его по площади СД и, соответственно, неравномерность локализации источников выделения тепла. С ростом температуры уменьшается внутренняя квантовая эффективность СД, что приводит к положительной тепловой обратной связи, в результате чего исходные области локализации греющей мощности будут еще больше нагреваться.
Как показали исследования авторов, разность между значениями первого и второго тепловых сопротивлений, полученных для одного и того же СД при малом и большом греющем токе, позволяет с высокой чувствительностью оценить качество СД без привязки к конкретному исходному материалу и типу дефектов.
Если указанная разность превышает заданное в качестве критерия сравнения значение, то это свидетельствует о наличии дефекта в СД.
При этом оценка качества СД с использованием указанного информативного параметра позволяет проводить тестирование СД при входном/выходном контроле без длительных временных затрат.
Заданное значение разности тепловых сопротивлений при пропускании через СД малого и большого греющего тока (критерий сравнения) определяют предварительно для исследуемого типа (вида) СД опытным (на партии годных изделий) или расчетным путем.
На практике в качестве греющего тока с относительно большой величиной целесообразно использовать ток, близкий или соответствующий предельно допустимому для исследуемого типа СД, а в качестве тока с относительно малой величиной - ток, равный или менее 0,1 от величины предельно допустимого.
Таким образом, техническим результатом, достигаемым при реализации изобретения, является повышение чувствительности способа тестирования и снижение временных затрат на проведение тестирования.
На чертеже показан вид дифференциальных структурных функций, полученных для двух величин греющего тока - малого греющего тока (кривая 1) и большого греющего тока (кривая 2).
Способ осуществляют следующим образом.
Через исследуемый СД пропускают ступенчато изменяющийся греющий ток, имеющий относительно малую величину, составляющую 0,1 от предельно-допустимого тока для данного типа СД.
В процессе разогрева СД периодически на короткое время, в течение которого температура СД не изменяется (десятки микросекунд), отключают греющий ток и при малом измерительном прямом токе измеряют ТЧП, характеризующий изменение температуры СД. В качестве указанного параметра используют прямое падение напряжения на р-n-переходе.
Время тестирования СД для определения теплового сопротивления составляет относительно небольшую величину порядка нескольких десятков секунд.
На основании математической обработки результатов измерения ТЧП - падения напряжения на р-n-переходе в процессе разогрева определяют первое тепловое сопротивление СД.
th1
Измерения и обработку их результатов, в частности, осуществляют с использованием прибора T3Ster и его программного обеспечения, строящего кумулятивную (или дифференциальную) структурную функцию, из которой определяют значение теплового сопротивления на малом токе R.
Σ
Σ
Σ
В общем случае дифференциальная структурная функция определяется как производная суммарной теплоемкости элементов теплового тракта СД по суммарному тепловому сопротивлению K(R)=dC/dR и характеризует распределение тепловой емкости и теплового сопротивления для последовательных участков теплового тракта СД «переход - окружающая среда».
Затем через исследуемый СД пропускают ступенчато изменяющийся греющий ток, имеющий относительно большую величину, соответствующую значению предельно допустимого тока для данного вида СД.
th2
Аналогичным образом измеряют ТЧП прямое падение напряжения на р-n-переходе, математической обработкой изменения ТЧП получают дифференциальную структурную функцию и из нее определяют значение теплового сопротивления на большом токе R.
th
Оценивают величину разности ΔR между первым и вторым тепловыми сопротивлениями СД, сравнивая соответствующие структурные функции.
th
Если величина указанной разности ΔR превышает предварительно определенное заданное значение, делают вывод о наличии дефекта(дефектов) в тестируемом СД и его бракуют.
th
Целесообразным является (см. чертеж) оценивать разность структурных функций ΔR на участке (последнем), соответствующем суммарному тепловому сопротивлению СД от p-n-перехода до радиатора.
Интерпретируя полученные дифференциальные структурные функции, можно определить, относится ли выявленный дефект(дефекты) к структурным дефектам (к дефектам полупроводникового материала) или к дефектам конструкции и монтажа.