CN103018256A - 一种led缺陷检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种LED缺陷检测系统，包括驱动恒流源、屏蔽装置、LED固定装置、光汇聚装置、光检测装置、信号处理装置；LED固定装置用于承载固定待检测的LED；驱动恒流源用于施加范围在1pA～1mA的电流至LED，使LED电致发光；屏蔽装置用于屏蔽周围环境中的背景光，使LED发出的光不受背景光的干扰；光汇聚装置用于将LED发出的光汇聚至光检测装置；光检测装置检测LED发出的光，将检测的光信号转换为电信号输出至信号处理装置；信号处理装置接收LED刚好有光子发出时光检测装置输出的电信号，同时存储所述LED刚好有光子发出时所述驱动恒流源施加的电流值，根据所述电流值和所述电信号计算得到所述LED的缺陷密度。本发明的LED缺陷检测系统，可计算得到该LED的缺陷密度。

Description

一种LED缺陷检测系统

【技术领域】

本发明涉及LED，特别是涉及一种LED缺陷检测系统。

【背景技术】

以发光二极管（Light Emitting Diode，简称LED）为核心构成的固态照明光源，具有发光效率高、光色纯、能耗小、寿命长、绿色环保等独特优点，被广泛应用在室内照明、道路照明、背光源等方面。随着GaN基LED功率的不断增大以及向更多的照明应用领域拓展，LED的性能优劣成为制约整个LED产业发展的最重要因素，而决定LED质量优劣的根本因素是LED芯片中的缺陷。基于LED芯片级的缺陷检测，可以在封装前后实现批量LED质量的快速区分，因此成为LED生产应用过程中的重要一环。

现有的LED芯片级的缺陷检测，公开号CN101581756，申请号CN200910138900.1，名称为一种LED芯片的非接触式检测方法的专利申请，提出一种LED芯片级的检测方法，利用LED芯片PN结的光电特性和光生伏特效应，提取光生伏特效应产生的自发光从而分析LED芯片的质量好坏。但这种方法只能定性的讨论LED芯片质量，并不能给出具体的LED芯片性能指标，比如缺陷密度、非辐射复合系数等。同时，该方法需要大量的样品进行对比后才能得出LED芯片的定性判定结果，费时费力。

【发明内容】

本发明所要解决的技术问题是：弥补上述现有技术的不足，提出一种LED缺陷检测系统，可以准确快速地检测出LED芯片的缺陷密度。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决：

一种LED缺陷检测系统，包括驱动恒流源、屏蔽装置、LED固定装置、光汇聚装置、光检测装置、信号处理装置；所述LED固定装置用于承载固定待检测的LED；所述驱动恒流源用于施加范围在1pA～1mA的电流至所述LED，使所述LED电致发光；所述屏蔽装置用于屏蔽周围环境中的背景光，使所述LED发出的光不受背景光的干扰；所述光汇聚装置用于将所述LED发出的光汇聚至所述光检测装置；所述光检测装置检测所述LED发出的光，将检测的光信号转换为电信号输出至所述信号处理装置；所述信号处理装置接收所述LED刚好有光子发出时所述光检测装置输出的电信号，同时存储所述LED刚好有光子发出时所述驱动恒流源施加的电流值，根据所述电流值和所述电信号计算得到所述LED的缺陷密度。

本发明的技术问题也通过以下的技术方案予以解决：

一种LED缺陷检测系统，包括驱动恒流源、屏蔽装置、LED转动装置、光检测装置、信号处理装置；所述LED转动装置用于承载固定待检测的LED，并在180°的范围内转动所述LED；所述驱动恒流源用于施加范围在1pA～1mA的电流至所述LED，使所述LED电致发光；所述屏蔽装置用于屏蔽周围环境中的背景光，使所述LED发出的光不受背景光的干扰；所述光检测装置检测所述LED在转动过程中处于多个位置时出射的光，将检测的光信号分别转换为多个电信号输出至所述信号处理装置；所述信号处理装置接收所述LED刚好有光子发出时所述LED在转动过程中处于多个位置时对应的所述光检测装置输出的多个电信号，同时存储所述LED刚好有光子发出时所述驱动恒流源施加的电流值，根据所述多个电信号和所述电流值计算得到所述LED的缺陷密度。

本发明与现有技术对比的有益效果是：

本发明的LED缺陷检测系统，通过驱动恒流源提供微弱电流至LED，使LED电致发光，通过光检测装置检测LED发出的光通量。调节系统，得到刚好使LED发出光子时，LED上施加的微电流和LED发出的光通量。通过该微电流和光通量，以及相应的方程，即可计算得到该LED的缺陷密度。本发明的LED缺陷检测系统弥补了现有技术中不能检测出LED缺陷密度值的不足，能够快速准确检测到LED的缺陷密度值，从而在LED的生产过程中能预先筛除功能失效、性能不合格的LED芯片，避免了这些芯片的后续封装程序，提高LED成品率。

【附图说明】

图1是本发明具体实施方式一中的LED缺陷检测系统的结构示意图；

图2是本发明具体实施方式一中的LED固定装置和光汇聚装置的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式的二中的LED缺陷检测系统的结构示意图；

图4是本发明具体实施方式的三中的LED缺陷检测系统的结构示意图；

图5是本发明具体实施方式的三中的LED在空间发光的分布示意图；

图6是本发明具体实施方式的三中的LED在空间发光的光强分布图。

【具体实施方式】

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明做进一步详细说明。

具体实施方式一

如图1所示，为本具体实施方式中的LED缺陷检测系统的结构图。LED缺陷检测系统包括驱动恒流源100、屏蔽装置300、LED固定装置500、光汇聚装置700、光检测装置800、信号处理装置900。

其中，驱动恒流源100提供范围在1pA～1mA的精确微弱电流至待检测的LED，使LED电致发光。提供该电流范围的微弱电流可对应LED处于不发光到发出微弱的光的变化过程，从而调节得到LED刚好有光子发出时对应施加的电流值。优选地，驱动恒流源100输出电流的步长可调，这样可精确控制输出电流的大小。

屏蔽装置300用于屏蔽周围环境中的背景光，使所述LED发出的光不受背景光的干扰。本具体实施方式中屏蔽装置300为金属屏蔽盒，且其内壁进行喷黑处理，全部涂黑，成为黑体，这样既可有效屏蔽掉环境中的背景光。驱动恒流源100和屏蔽装置300均接地，可充分消除周围电磁干扰的影响，使屏蔽装置300兼有电磁屏蔽与背景光屏蔽的作用。

LED固定装置500用于承载固定待检测的LED。本具体实施方式中，LED固定装置500设置在屏蔽装置300内，屏蔽装置300上设置电缆接口200，驱动恒流源100的两个输出电缆线通过电缆接口200后分别与LED固定装置500上的待测的LED的正负极连接，从而将驱动恒流源100输出的电流提供给待测的LED。通过电缆线以及设置的电缆接口，可有效地屏蔽掉外界电磁信号对电流输入的影响。

图2所示中本具体实施方式的LED固定装置部分，LED固定装置500包括承载台501和设置在承载台501上的LED夹具502，LED夹具502的两个夹脚分别夹持待测的LED的正负极，从而将LED固定在承载台501上。测试时，由于LED芯片的厚度会略有差别，因此为保证同一批次的LED的测试处于同一测试条件下，要分别调节LED固定装置的位置，以确保各个LED测试时与光电探头的距离相同。

对于LED固定装置500，优选地，其承载台501为温控台，这样可测试待测LED在不同温度条件下相应的缺陷密度，从而方便分析LED的缺陷密度与温度的关系。

光汇聚装置700用于将LED发出的光汇聚至光检测装置800。图2所示中本具体实施方式的光汇聚装置部分，光汇聚装置700包括抛物线型反光罩701和凸透镜702，抛物线型反光罩701用于将入射的光线反射至凸透镜702，凸透镜702用于将入射的光线折射后汇聚至光检测装置800。也即，待测LED被施加电流后发出光子，出光分为两部分：一部分直接入射到凸透镜702上，经过折射到达光检测装置800；另一部分入射到反光罩701上，经反光罩701反射到凸透镜702上，之后经过折射到达光检测装置800。通过光汇聚装置700可使LED发出的光尽可能汇聚，从而使光检测装置800全部探测到，提高后续计算结果的准确性。

光检测装置800检测LED发出的光，将检测的光信号转换为电信号输出至信号处理装置900。其中，光检测装置800包括光电探头（图1中未具体示意出）和A/D转换器（图1中未具体示意出），光电探头探测LED发出的光，将光信号转换为模拟电信号输出，A/D转换器接收光电探头输出的模拟电信号，将模拟电信号转换为数字电信号后输出至信号处理装置900。由于后续需要探测LED刚好有光子发出时的情形，因此光电探头的探测范围应为10^-14-10^-8lm。

信号处理装置900接收LED刚好有光子发出时光检测装置800输出的电信号，同时存储LED刚好有光子发出时驱动恒流源100施加的电流值，根据电流值和电信号计算得到LED的缺陷密度。具体地，上述刚好的有光子发出的状态，也即：首先让驱动恒流源100输出μA电流，该电流加到LED上之后观察光检测装置800有无信号输出，若有信号输出，以一定步长降低电流，直至光检测装置800检测到刚好有光子信号输出；若无信号输出，以一定步长增大电流，直至光检测装置800检测到刚好有光子信号输出。而光检测装置800输出的电信号反映LED发出光的光通量，驱动恒流源100上施加的电流值对应着LED的注入电子数，因此信号处理装置900可按照如下方式计算得到LED的缺陷密度：

信号处理装置900将光检测装置800输出的电信号转换为对应的LED发出光的光通量Q，将驱动恒流源100施加的电流值转换为对应的注入电子数M，将参数Q和M的值代入如下方程计算得到LED的非辐射复合系数A：

$\left\{\begin{array}{c}M=\mathrm{An}+{\mathrm{Bn}}^2\\ Q={\mathrm{Bn}}^2\end{array}\right.$

其中，n表示载流子浓度，B表示所述LED的辐射复合系数。方程中，参量M、Q和B均已知，因此根据上述两个方程即可求得两个未知数n和A的值。而计算得到非辐射复合系数A后，缺陷密度是与非辐射复合系数A成正比例关系，二者之间比例系数k是已知确定的，因此即可根据A计算得到LED的缺陷密度值。

而信号处理装置900处理电信号和电流值时，之所以要求该电信号和电流值是对应刚好有光子发出的时刻，是因为在LED刚好有光子发出时，对应有注入电子数M与参数A、n和B之间关系式M=An+Bn²的成立，所以需要检测LED刚好有光子发出时的光通量和注入电子数，从而成立方程进行求解。

本具体实施方式的LED缺陷检测系统，使用时，调节系统，得到刚好使LED发出光子时，LED上施加的微电流和LED发出的光通量。根据该微电流和光通量，信号处理装置求解相应的方程即可计算得到待测LED的缺陷密度。该缺陷检测系统能够快速准确检测到LED的缺陷密度值，从而在LED的生产过程中能预先筛除功能失效、性能不合格的LED芯片，避免了这些芯片的后续封装程序，提高LED成品率。

具体实施方式二

本具体实施方式与实施方式一的不同之处在于：本具体实施方式中，光汇聚装置为准直透镜。而具体实施方式一中是由抛物线型反光罩和凸透镜一起组成光汇聚装置。

如图3所示，为本具体实施方式中的LED缺陷检测系统的结构图。LED缺陷检测系统包括驱动恒流源100、屏蔽装置300、LED固定装置500、光汇聚装置、光检测装置800、信号处理装置900。其中，驱动恒流源100、屏蔽装置300、LED固定装置500、光检测装置800和信号处理装置900的工作过程，结构以及连接均同具体实施方式一中相同，在此不重复说明。如下仅针对不同之处光汇聚装置的结构进行详细说明。

光汇聚装置包括准直透镜703，所述准直透镜703用于将所述LED发出的光准直处理后汇聚至光检测装置800。本具体实施方式中，通过准直透镜703同样可将LED发出的光尽可能汇聚，从而使光检测装置800全部探测到，提高后续计算结果的准确性。同时，与具体实施方式一相比，具体实施方式一中LED出光经过两次光学系统，而本具体实施方式只经过一次光学系统，因此可更加高效地将LED芯片发出的光收集，提高后续光检测装置800的探测准确度。

本具体实施方式中的LED缺陷检测系统，同具体实施方式一一样，也可快速准确检测到LED的缺陷密度值，从而提高LED成品率。

具体实施方式三

本具体实施方式与实施方式一、二的不同之处在于：本具体实施方式中，系统中承载LED的结构为LED转动装置，工作时在180°的范围内转动LED，收集LED在不同角度时的光通量，因此不需要设置光汇聚装置。而具体实施方式一和二中是LED固定装置，工作时不转动LED，同时需要设置光汇聚装置将LED在空间中发出的光汇聚后进行检测。

如图4所示，为本具体实施方式中的LED缺陷检测系统的结构图。LED缺陷检测系统包括驱动恒流源100、屏蔽装置300、LED转动装置600、光检测装置800、信号处理装置900。

其中，驱动恒流源100、屏蔽装置300的工作过程，结构以及连接均同具体实施方式一中相同，在此不重复说明。

LED转动装置600用于承载固定待检测的LED，并在180°的范围内转动LED。本具体实施方式中，LED转动装置600包括转动杆603、承载台601和设置在承载台601上的LED夹具602，LED夹具602的两个夹脚分别夹持待测的LED的正负极，从而将LED固定在承载台601上，转动杆603在外界的驱动控制下带动承载台601以及LED在相对于光检测装置800所在位置的180°的范围内旋转，从而使LED在空间中发出的光通过转动而依次被光检测装置800检测到。

光检测装置800检测LED发出的光，将检测的光信号转换为电信号输出至所述信号处理装置900。光检测装置800的结构以及与其它组件的连接均同具体实施方式一相同，只是其工作时，对于LED转动过程中处于多个位置时，需要分别探测多个位置对应的光通量。

信号处理装置900接收LED刚好有光子发出时LED在转动过程中处于多个位置时对应的光检测装置800输出的多个电信号，同时存储LED刚好有光子发出时驱动恒流源100施加的电流值，根据多个电信号和所述电流值计算得到LED的缺陷密度。

具体地，如图5所示，为LED在空间发光的分布示意图。如图6所示，为LED在空间发光的光强分布图。从图5和图6可知，LED芯片出光为半球发光面，在空间180°的角度范围内，测得LED发光光强分布近似满足朗伯定律，因此可通过对多个位置处测得的光通量积分计算出总的光通量。因此信号处理装置900处理时，将所述多个位置对应的多个电信号分别转换为对应的多个光通量，将多个光通量积分求和后得到LED发光总的光通量Q。同时将驱动恒流源100施加的电流值转换为对应的注入电子数M，将参数Q和M的值代入如下方程计算得到LED的非辐射复合系数A：

$\left\{\begin{array}{c}M=\mathrm{An}+{\mathrm{Bn}}^2\\ Q={\mathrm{Bn}}^2\end{array}\right.$

其中，n表示载流子浓度，B表示所述LED的辐射复合系数。方程中，参量M、Q和B均已知，因此根据上述两个方程即可求得两个未知数n和A的值。而计算得到非辐射复合系数A后，缺陷密度是与非辐射复合系数A成正比例关系，二者之间比例系数k是已知确定的，因此即可根据A计算得到LED的缺陷密度值。

本具体实施方式的LED缺陷检测系统中通过LED转动装置带动LED在180°的范围内转动，从而收集LED在不同位置时的光通量，将各个位置点的光通量进行积分从而求得总得光通量，后续进行计算求解。因此不需要设置光汇聚装置进行光的汇聚操作，同时通过积分求解得到的总的光通量Q的结果也较准确。

本具体实施方式中的LED缺陷检测系统，设置转动装置转动，后续通过积分从而求解到LED刚好有光子发出时的光通量Q，配合其他组件的工作，与具体实施方式一和二一样，也可快速准确检测到LED的缺陷密度值，从而提高LED成品率。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下做出若干替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种LED缺陷检测系统，其特征在于：包括驱动恒流源（100）、屏蔽装置（300）、LED固定装置（500）、光汇聚装置（700）、光检测装置（800）、信号处理装置（900）；

所述LED固定装置（500）用于承载固定待检测的LED；

所述驱动恒流源（100）用于施加范围在1pA～1mA的电流至所述LED，使所述LED电致发光；

所述屏蔽装置（300）用于屏蔽周围环境中的背景光，使所述LED发出的光不受背景光的干扰；

所述光汇聚装置（700）用于将所述LED发出的光汇聚至所述光检测装置（800）；

所述光检测装置（800）检测所述LED发出的光，将检测的光信号转换为电信号输出至所述信号处理装置（900）；

所述信号处理装置（900）接收所述LED刚好有光子发出时所述光检测装置（800）输出的电信号，同时存储所述LED刚好有光子发出时所述驱动恒流源（100）施加的电流值，根据所述电流值和所述电信号计算得到所述LED的缺陷密度。

2.根据权利要求1所述的LED缺陷检测系统，其特征在于：所述信号处理装置（900）将所述电信号转换为对应的光通量Q，将所述电流值转换为对应的注入电子数M，根据如下方程计算得到所述LED的非辐射复合系数A： $\left\{\begin{array}{c}M=\mathrm{An}+{\mathrm{Bn}}^2\\ Q={\mathrm{Bn}}^2\end{array}\right.,$ 其中，n表示载流子浓度，B表示所述LED的辐射复合系数；然后根据非辐射复合系数A计算得到所述LED的缺陷密度。

3.根据权利要求1所述的LED缺陷检测系统，其特征在于：所述光汇聚装置（700）包括抛物线型反光罩（701）和凸透镜（702），所述抛物线型反光罩（701）用于将入射的光线反射至所述凸透镜（702），所述凸透镜（702）用于将入射的光线折射后汇聚至所述光检测装置（800）。

4.根据权利要求1所述的LED缺陷检测系统，其特征在于：所述光汇聚装置（700）包括准直透镜（703），所述准直透镜（703）用于将所述LED发出的光准直处理后汇聚至所述光检测装置（800）。

5.根据权利要求1所述的LED缺陷检测系统，其特征在于：所述光检测装置（800）包括光电探头和A/D转换器，所述光电探头探测所述LED发出的光，将光信号转换为模拟电信号输出，所述A/D转换器接收所述光电探头输出的模拟电信号，将所述模拟电信号转换为数字电信号后输出至信号处理装置（900）。

6.根据权利要求1所述的LED缺陷检测系统，其特征在于：所述LED固定装置（500）设置在所述屏蔽装置（300）内，所述屏蔽装置（300）上设置电缆接口，所述驱动恒流源（100）的两个输出电缆线通过所述电缆接口后分别与所述LED固定装置（500）上的所述待测的LED的正负极连接。

7.根据权利要求1所述的LED缺陷检测系统，其特征在于：所述LED固定装置（500）包括承载台（501）和设置在所述承载台（501）上的LED夹具（502），所述LED夹具（502）的两个夹脚分别夹持所述待测的LED的正负极，从而将所述LED固定在所述承载台（501）上。

8.根据权利要求7所述的LED缺陷检测系统，其特征在于：所述承载台（501）为温控台。

9.一种LED缺陷检测系统，其特征在于：包括驱动恒流源（100）、屏蔽装置（300）、LED转动装置（600）、光检测装置（800）、信号处理装置（900）；

所述LED转动装置（600）用于承载固定待检测的LED，并在180°的范围内转动所述LED；

所述驱动恒流源（100）用于施加范围在1pA～1mA的电流至所述LED，使所述LED电致发光；

所述屏蔽装置（300）用于屏蔽周围环境中的背景光，使所述LED发出的光不受背景光的干扰；

所述光检测装置（800）检测所述LED在转动过程中处于多个位置时出射的光，将检测的光信号分别转换为多个电信号输出至所述信号处理装置（900）；

所述信号处理装置（900）接收所述LED刚好有光子发出时所述LED在转动过程中处于多个位置时对应的所述光检测装置（800）输出的多个电信号，同时存储所述LED刚好有光子发出时所述驱动恒流源（100）施加的电流值，根据所述多个电信号和所述电流值计算得到所述LED的缺陷密度。

10.根据权利要求9所述的LED缺陷检测系统，其特征在于：所述信号处理装置（900）将所述多个电信号分别转换为对应的多个光通量，将多个光通量积分求和后得到总的光通量Q；将所述电流值转换为对应的注入电子数M；根据如下方程计算得到所述LED的非辐射复合系数A： $\left\{\begin{array}{c}M=\mathrm{An}+{\mathrm{Bn}}^2\\ Q={\mathrm{Bn}}^2\end{array}\right.,$ 其中，n表示载流子浓度，B表示所述LED的辐射复合系数；然后根据非辐射复合系数A计算得到所述LED的缺陷密度。

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