高精度LIV测试系统基础知识
发布时间：2021-1-8 15:56
发布者：whpssins
|
1、LIV测试的目标 LIV（或PIV）是一种广泛用于光电材料、芯片、器件性能评估的测试。 多数情况下，LIV测试环境中，除了光功率、电流、电压测试，设计人员和测试人员还会利用已搭建的系统，加入温控和光谱测量的项目。通过对这些被测件的光功率、激励电流/电压、光谱，以及上述参数随温度的变化，经过计算和数据/图像处理，可以获得很多关键参数和图表，包括： 直接参数 可以直接读取或获得的测量值，如：工作电压；工作电流；光功率（通过探测器光电流标定参数）；背光电流（如果有背光探测器）；峰值波长；边模抑制比；温度等 间接参数 需要计算分析获得的激光参数，如：阈值电流；输出Kink（非线性）；斜效率；转化效率；半高宽；等效电阻；结温等 可视图表 包括：L-I-V曲线（包括P-I、I-V、I-转换效率等）；波长-I曲线；波长-温度曲线；功率-温度曲线；工作电压-温度曲线；其它需要的多维视图等 
典型的LIV结果绘图 2、LIV测试的系统搭建要素 LIV测试需要根据被测件参数的不同，搭建相应的测试系统。这些需纳入考虑的要素包括： 激励信号的接入方式 如果被测件是wafer或裸芯片，需要探针台；如果是经过封装的器件，需要相应的测试夹具（治具）。 
典型的cos封装VCSEL阵列测试夹具 温控方式 无论是外部控温，还是被测件内部的TEC温控，都需要在搭建系统时考虑。通常情况下，高温相对较为容易；0℃以下的温控，特别是-40℃这种极限温度下时，由于需要避免结霜和考虑收光等因素，实现起来相对较繁琐。 激励源 大部分的LIV测试中，被测件都采用的电流激励。需根据激励的特性，如CW还是QCW、激励电流的大小、电流扫描的范围和精度等因素来选择激励源。 光功率测试 部分被测件带有尾纤，可以用光功率计来直接测量；其它类型的被测件发出的光信号都需要经过积分球均匀化后，使用测试探测器光电流的方式来确定光功率。光电流测试，需要根据电流测试的精度，选择合适的电流表来完成。 电压测试 由于这个测量项对转化效率的精度影响显著，所以要考虑精确测试光器件工作电压的方法。通常情况下，无论是使用探针台还是夹具，都建议使用四线法。另外，测试线缆的选择也会影响测试结果。 光谱测试时的光信号耦合 测试不带尾纤的被测件光谱时，需要考虑如何将光信号耦合进光谱仪。对于大功率器件，积分球上额外的一个开孔就可以解决这个问题；但对于常规器件，由于功率较小，积分球耦合的光功率不足以支持光谱仪的测试要求，所以常常需要一个专门的耦合机制（如可移动的光纤配合收光透镜）来实现，不同的耦合机制存在较大的测试效率区别。 仪器的同步 多台仪器的同步在QCW测试模式下非常重要，不仅有系统时序的控制，还有测量仪器（如电流测试设备）的测量时间选择。QCW测试结果不稳定大多来自于系统级同步的问题。 软件和算法 仪器控制和后续数据处理、计算和显示需要系统级软件。特别的，很多测试项有相关的标准来指导其算法，如阈值电流的判断就有最小二乘法和二阶导数法等不同方法。测试人员需根据需要编写软件，以得到相应结果。 系统级的考量 从上述要素的描述中，可以明显看出：LIV不是一个简单的测试，它需要从被测件的形态和性能特点、测试项目、测试方法和算法等去综合考虑测试夹具的制备、测试仪器的选择、测试系统的搭建，以及测试软件的编制。整个过程涵盖了夹具设计、机械加工、仪器调研、组网调试、数据分析、算法实现等步骤，进一步的，如误差分析和结果溯源等，都需要系统级的考量。 3、LIV测试的系统组成举例 本节将介绍几种典型的高精度LIV测试系统，包括：经典光通信LIV测试系统；消费类/大功率激光器LIV测试系统；用于wafer和芯片的LIV测试系统。 经典光通信LIV 在经典光通信器件的LIV测试中，被测件一般使用连续（CW）驱动、一般电流范围0-100mA；其发出的激光使用积分球均匀化以后，通过测试积分球上PD的输出电流以及对应波长的响应系数R，可以准确对应被测件的光功率；根据需要，LIV系统中会加入温控机制；在有背光探测器的情况下，还会加入一个小电流测试设备，以测量其背光电流。下图是一个典型的光通信LIV测试系统框图（未包括光谱测试部分）： 
经典光通信 LIV测试框图 其中： Integrating Sphere是积分球，带有经过波长和功率标定的PD探测器（即圆框内的探测器） S系列数字源表是源测量单元（SMU），在系统中提供电流源，并同时测试被测件的工作电压 2502是双通道高精度电流表，两个通道分别测量积分球探测器和背光探测器（中部灰框中右下角PD）的输出电流 2510是温控源表，为被测件内部或测试夹具/载台上的温控器提供温度控制机制，其功能包括温度值读取（如通过thermistor热敏电阻）、温控器控制（如通过TEC Peltier）和PID调谐（内部算法）等 图中的fiber表示被测件带有尾纤。如果被测件不带尾纤，可将被测件靠近积分球口（通常在开口切线以内），使得积分球能完全收光 上位机控制整个测试流程，获取数据并分析显示 经典光通信用LIV测试系统由于使用CW模式，其实现相对简单，无需特别考虑仪器间的同步。 消费类/大功率激光器LIV测试系统 对于消费类和大功率激光器，如用于3D sensing的VCSEL阵列和用于激光雷达的大功率LD，其功率通常会达到百毫瓦或瓦级，被测件的自热效应对测试结果有较大影响，故通常情况下会使用QCW（准连续/脉冲）方式测试LIV。下图是一个典型的使用QCW模式的LIV测试系统框图： 
QCW模式的LIV测试框图 这个测试系统和光通信LIV测试系统的主要不同点是： 激励源改用2602B型双通道源表(当然也可以改成S型源表2台)，该型SMU支持输出脉冲电流（即支持QCW）。使用其一条通道发出脉冲电流，并测试被测件的工作电压。 使用支持脉冲电流测试的DMM7510型数字万用表测试积分球探测器输出电流；背光电流使用源表的另一条通道测试。 由于使用脉冲方式，整个系统的同步触发非常重要。 用于wafer和芯片的LIV测试系统 在wafer和芯片的的研发和芯片的品质管控（如来料检测和失效分析）中，设计人员和测试人员常常面对各种形状大小不同、电极分布各异、封装形式多变、工作温度变化范围大、边发光或垂直发光等特性不同的激光器裸die。这时，被测件的变化常常带来在LIV和光谱分析中工程实现的难度。面对这种情况，综合、高效的LIV和光谱测试平台对于降低测试设置难度、提高工作效率可以起到很大的作用。 在这类测试平台的搭建中，考虑的因素较多，包括： 探针台相关：可保证积分球灵活移动以准确对位；吸附孔大小合适以适应不同被测件 积分球：可能使用多个积分球，以适应不同的发光角度和功率要求 光谱测试：根据效率和成本的要求设计光纤耦合的方式，考虑使用螺旋逼近还是AOI自动光学检测 温控：考虑控温效率和操作人员安全，特别是高温（超过85℃）情况下 测试仪器：选用精度高、指标范围大、支持工作模式多仪器，以覆盖更宽的激励和量测要求 测试治具：针对各种被测件形态和激励、温控要求，设计治具 软件编写：使用模块化方式编写测试软件，以足够适应各种被测件要求 这类用于wafer和芯片的测试平台通常是高度定制化的系统，需要有较多实际测试经验的研发人员来完成。虽然不少用户有能力自己搭建，但从时间成本和人力成本上看，专业的测试系统集成商例如普赛斯仪表可以以更高的性价比完成。 小结 LIV的核心是得到光功率、工作电流和工作电压，配合这些参数随温度、激励电流的变化，可以计算出多种光电元器件关键参数。在研发阶段，高精度的LIV测试系统可以准确验证光芯片和光器件的性能；在量产阶段，可以帮助分析芯片或器件质量以及失效原因。 传统LIV测试多使用CW模式，而大功率和新兴消费类光电器件则更多选择QCW。 S型高精度数字源表、电流表、温控设备在LIV测试上应用多年，其优异的指标和可靠性获得了业界的广泛认可。使用Precise搭建的LIV系统可以给研发和质检人员提供更高的性能把握度。 |
网友评论