在確定平板顯示器(FPD)中有源元件的特性時，雖然其測試方法與其他半導(dǎo)體集成電路類似，但是為了使LCD、OLED和LEP應(yīng)用之生產(chǎn)能力和準確度最佳化，需要對參數(shù)測試系統(tǒng)、布線和工藝進行重大改進。

不斷演變的FPD趨勢

目前，平板顯示器(FPD)制造商正在新技術(shù)方面投入巨資，以滿足不斷增長的應(yīng)用。這些應(yīng)用包括高成本和低成本的膝上型電腦監(jiān)視器、用于手機和其他便攜式設(shè)備的小面積/低功耗面板、用于家用電視的高清電視（HDTV）屏和寬顯示屏，以及軍事領(lǐng)域的高可靠日光讀取型顯示屏等。顯示技術(shù)包括從非晶低溫多晶硅(LTPS)LCD面板，到新興的有機LED以及其他產(chǎn)品。這些新技術(shù)將會帶來高附加值的產(chǎn)品，但是他們也會顯著增加OEM廠商在新工具和新工藝方面的投資，以便縮短產(chǎn)品面市時間，取得理想的產(chǎn)量。所有這些均需要更高效的測試方案，并且應(yīng)該在R&D和生產(chǎn)階段就采用具有更高數(shù)據(jù)吞吐量和準確性的儀器和系統(tǒng)。

由于顯示器測量采用了類似于傳統(tǒng)CMOS和雙極性硅圓晶領(lǐng)域常見的探針和參數(shù)測試儀，該市場已經(jīng)成為Keithley自然涉足領(lǐng)域之一。多年以來，Keithley已經(jīng)為CMOS和雙極性IC代工廠，以及有源點陣液晶二極管（AMLCD）顯示器領(lǐng)域的關(guān)鍵制造商提供了半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)和參數(shù)測試儀器。其中，這些AMLCD制造客戶大部分位於亞洲。事實上，有源點陣FPD方面的測量和測試技術(shù)與其他半導(dǎo)體測試技術(shù)在本質(zhì)上是一致的。但是，我們也發(fā)現(xiàn)了一些明顯的差異之處，這就需要通過全新的技術(shù)去測試和測量。

在原型設(shè)計和生產(chǎn)設(shè)備方面，顯示器OEM廠商和半導(dǎo)體代工廠采用了明顯不同的測試型式。一般來說，在顯示器測試中，由于探針外形比較大，同傳統(tǒng)半導(dǎo)體晶圓測試相比，相關(guān)儀器離待測裝置(DUT)更遠。這樣一來，長距離測量必將導(dǎo)致布線長度方面的問題，如比較大的寄生電容和噪聲這樣的長度問題, 并可能降低敏感度，增加測量持續(xù)時間，而且會降低產(chǎn)量——這正好與我們的期望相反。為了避免這些問題，在測試新型顯示器時，常常需要對測量工藝和測試設(shè)備進行一些必要的創(chuàng)新和修正。

非晶硅LCD的測試

從手機到PDA、筆記本電腦和臺式電腦監(jiān)視器，以及大多數(shù)電視應(yīng)用領(lǐng)域，用于AMLCD的傳統(tǒng)技術(shù)——非晶矽(a-si)依然占有主導(dǎo)性市場份額。這是由于其技術(shù)不斷完善和具有較低成本優(yōu)勢，雖然a-si薄膜晶體管（TFT）器件速度慢、體積大，并且比新型LTPS LCD需要更大的外部電流。在目前的第五代和第六代產(chǎn)品中，人們普遍采用a-si基體技術(shù)來制造更大面積的顯示器，制造商們甚至于通過批量生產(chǎn)和提高產(chǎn)量的方法，正在努力地降低生產(chǎn)成本。

由于成本是一個占主導(dǎo)地位的考慮因素，制造測試時間必須控制到最小。一般情況下，在生產(chǎn)環(huán)境中通常只進行一些關(guān)鍵性能測量，其中包括：
• Id-Vg曲線掃除，帶有上/下磁滯曲線
•電壓閾值Vth
• 正向(on)電流
• 漏(off)電流IL
• 開關(guān)(響應(yīng))時間
• 接觸鏈路的電阻和電容

這些測量借助于幾個測試單元組合（TEG），在LCD面板的外側(cè)邊沿附近進行。有時，也對個別的工作像素進行測量，以檢查一致性，而且銦/錫氧化物(ITO)導(dǎo)電層可進行現(xiàn)場檢查。

在FPD中，用以分析有源元件特性的典型系統(tǒng)包括DC源表(SourceMeter)、一個開關(guān)矩陣(允許通過一套測試儀器，對多個待測器件進行測試)、一個探針臺，以及用以連接各種單元的布線。由於玻璃基體面板的尺寸很大，F(xiàn)PD生產(chǎn)設(shè)備也趨向相當大的外形，而且采用高度自動化控制，其中包括用于與LCD TEG和工作像素進行連接的相關(guān)探針臺。這就使采集類測量儀器變得復(fù)雜，復(fù)雜度幾乎接近信號源。要將探針卡和儀器測試頭連接起來，大家會很自然地采用電纜，但是這個普通的解決方案卻會造成其他測量問題。

要對LCD TFT進行參數(shù)描述，一般需要在斷開狀態(tài)，對漏電流進行敏感度相當高的測量。如果電壓閾值和次閾值(漏)電流太高，就會產(chǎn)生鬼影（image ghosting），因此IL一定要在幾fA（10-15A）的水平下測量。如同其他的低電流現(xiàn)象一樣，門極漏電流對器件的性能來說也十分重要。

通常，在配置一個FPD特性分析系統(tǒng)的時候，觀察者傾向于將精力集中于DC參數(shù)儀器方面，而疏忽系統(tǒng)的其他配置，如布線、探針卡等。事實上，系統(tǒng)的這部分配置很可能就是噪聲的根源，因為如果電纜質(zhì)量差或屏蔽性不好，開關(guān)系統(tǒng)較大的漏電流通常會直接出現(xiàn)在信號鏈路中。

對于超低電流測量來說，采用一臺緊密集成的參數(shù)分析系統(tǒng)是相當重要的，其中不但包括測定儀器，而且還有測試夾具、探針臺、開關(guān)系統(tǒng)、連接、布線、接地，以及屏蔽等，因此要求測試工程師站在系統(tǒng)層面觀察問題。即使對于一個適當配置的系統(tǒng)來說，以下問題也會影響測量噪聲、準確性和生產(chǎn)率:
• 布線及其產(chǎn)生的寄生電容和分路阻抗
• 接地/屏蔽/指導(dǎo)方針
• 開關(guān)矩陣的偏移量和漏電流
• 探針卡和測試頭的設(shè)計
• 儀器噪聲和解決時間
• 環(huán)境電氣噪聲的水平和類型
• TEG裝置及其相關(guān)的測試策略

用獨特的解決方案解決獨特的測試問題

為了將由上述問題所導(dǎo)致的錯誤、噪聲和測試時間降低到最小，必須采用有效的測量測試技術(shù)。通常，這需要采用獨特的測量方案，來解決特別的器件、材料和設(shè)備方面的獨特問題。憑借30多年的半導(dǎo)體、LCD和無源器件測試經(jīng)驗，Keithley開發(fā)了一套創(chuàng)新方案，用以從導(dǎo)電層和絕緣氧化物，到完整的多單元顯示器（multi-element displays）之間的所有測試。例如，Keithley公司型號為4200-SCS的半導(dǎo)體特性分析系統(tǒng)提供為LCD器件測試提供了一個低噪聲平臺。4200-SCS采用模塊化設(shè)計，帶有本機或遙遠前置放大器，以及靈活的圖形化用戶界面（GUI）軟件環(huán)境，允許用戶通過定制滿足典型的FPD制造測試。

通常，當DUT信號非常小(也就是，信號噪音比很小) 的時候，系統(tǒng)噪音對測量數(shù)據(jù)的完整性影響最大。因為要獨立地對信號進行放大，而不放大與其相伴隨的噪聲的話，那是很困難的。很明顯，在FPD測試中，影響低電平測量準確性的關(guān)鍵是如何提高信噪比。

4200-SCS的噪聲標稱值只有大約0.2%，這意謂著在最低電流范圍內(nèi)峰-峰值噪聲只有幾個fA（10-15A）。通過適當?shù)男盘柶骄幚�，還可以進一步降低噪聲。如果因此引起測試產(chǎn)量方面的問題，其遠程低噪聲前置放大選項允許將測量降低到次fA水平。

為了獲得如此的敏感度水平，前置放大器一般固定在探針上。采用這個布局后，在放大之前信號路徑只有很短距離(僅僅相當于探針的長度)。然后，被放大的信號流經(jīng)電纜和開關(guān)矩陣，進入測量硬件內(nèi)部。

通過縮短電纜長度使測量調(diào)整時間大大減少，這種布局對提高測試產(chǎn)量具有明顯的好處，同時，也大大降低了寄生電容。借助于Keithley的全線矩陣開關(guān)系統(tǒng)，還可以進一步提高測試產(chǎn)量，因為該產(chǎn)品允許將多個DUT同時連接到測試系統(tǒng)上。Keithley的低漏電流矩陣開關(guān)卡是特別為超低電流測量而設(shè)計的。

低溫多晶硅的測試

以前的多晶硅（p-si）要求的沉積溫度高，對基于玻璃的LCD制造來說是不現(xiàn)實的。然而，今天的LTPS技術(shù)已經(jīng)克服了很多諸如此類的制造問題，并且其固有的高速度還為顯示器提供了看得見的好處�；诓ＡУ膒-si的另外一個優(yōu)勢在于，其驅(qū)動器芯片也可以采用同樣的工藝進行生產(chǎn)，從而節(jié)省了空間，提高了可靠性。隨著用于低溫環(huán)境的新型低成本制造方法的開發(fā)，p-si顯示技術(shù)將會繼續(xù)獲得多元化應(yīng)用，取得一定市場占有率。他們將很快發(fā)展成智能型、高附加價顯示器，除了門陣列驅(qū)動器外，最終也會將存儲器和CPU集成在里面。同當代a-si或p-si技術(shù)相比，這些“基于玻璃的系統(tǒng)（System On Glass）”類型的FPD需要的電力比較少，能產(chǎn)生更明亮的圖像，具有更快的反應(yīng)速度，能提供更高的分辨率，而且需要的外部電路更少。

LTPS顯示器需要進行更多的測試，因為他們除了像素TFT外，還帶有其他控制器件，而且其應(yīng)用傾向于視頻。這些測試包括驅(qū)動器IC測量、帶有時鐘信號的數(shù)碼測試，和檢查高頻操作特性。因此，同傳統(tǒng)的a-si產(chǎn)品相比，較高的測試產(chǎn)量顯得相當重要。如果p-si有源器件外形非常小，并且在較小電流時的工作效率更高，那么相較a-si器件來說，對他們進行測試時就需要更高的敏感度。

否則，就要對p-si FPD進行類似參數(shù)測試，所有測量問題與a-si技術(shù)相同。然而，輔助信號源和儀器卻使LTPS測試系統(tǒng)單元間的整合成為另一問題，其中包括參數(shù)測試儀接口、同步和軟件的兼容性。

使敏感度和速度最佳化

當用于視頻領(lǐng)域的高速AMLCD于1990年出現(xiàn)的時候，Keithley就開發(fā)了一整套高速工序監(jiān)控系統(tǒng)解決方案，幫助顯示器OEM廠商提高生產(chǎn)量和更容易地控制產(chǎn)品質(zhì)量。由于LTPS允許將驅(qū)動器和其他電路集成在一塊玻璃上，Keithley的TEG系統(tǒng)增加了脈沖和射頻能力，以支持專用高速功能測試。這些功能可與早期用于生產(chǎn)過程的TEG測試系統(tǒng)組合使用，因此避免了昂貴的包裝環(huán)節(jié)，即達到了商業(yè)化的糾正和修理要求。

Keithley提供各種不同的測試平臺，允許LTPS顯示器OEM廠商對測量敏感度和生產(chǎn)量進行優(yōu)化。當遇到超低電流測量問題時，S400自動化參數(shù)測試(APT)系統(tǒng)可通過其完全布線應(yīng)用程序，提高測試產(chǎn)量。當同時要求超低電平測量和較高的測試產(chǎn)量的時候，為了擴展S400應(yīng)用中的測量敏感度，4200-SCS通過系統(tǒng)矩陣，連接到四個獨立的像素探針卡。采用這種布局，DUT端的電流敏感度可達到1-2fA。當然，也可以采用其他許多硬件對系統(tǒng)進行優(yōu)化，以滿足特殊應(yīng)用的要求。

有機電致發(fā)光FPD器件

有機電致發(fā)光(OEL)FPD器件正在快速走向商業(yè)化，其中包括有源和無源產(chǎn)品。

目前，人們正在開發(fā)各種基于大分子聚合物的發(fā)光聚合體(LEP)器件。該技術(shù)由英國劍橋大學(xué)Burroughes等人發(fā)明，目前正在不斷向小尺寸和低速度/分辨率領(lǐng)域邁進，如蜂窩電話、數(shù)碼“墨水和紙張”、織品、問候卡、window/POP廣告裝置等。

就目前公布的資料，聚合體顯示器的優(yōu)勢在于其快速旋轉(zhuǎn)玻璃基體上的功能層的能力，并且在某些情況下，還可以在膠片上印刷圖案，因此從理論上講很容易實現(xiàn)簡單、低成本的有源點陣顯示器，以及(比較高的成本時)較高清晰度的顯示器。其中，后者帶有由各種不同的發(fā)射器組成細微斑紋，用以顯示全色彩圖像。

OLED器件基于柯達（Kodak）公司的小分子技術(shù)，能兼容大多數(shù)半導(dǎo)體工藝，但是其制造過程比LEP復(fù)雜得多。然而，他們卻是高數(shù)據(jù)內(nèi)容和視頻寬帶顯示領(lǐng)域的領(lǐng)先者，如監(jiān)視器和電視等。在這些應(yīng)用中，幾乎可以確定地說，他們將會推倒基于矽技術(shù)的LCD的主導(dǎo)地位，因為目前很多研究機構(gòu)和新興公司正在著手這方面的工作。(到目前為止，還沒有人能夠成功地將無機LED陣列整合到一個新的密度水平——與有源點陣OLED顯示器可能達到的密度一樣高。)

材料的壽命仍然是限制OEL FPD技術(shù)推廣應(yīng)用的一個關(guān)鍵因素，因此研發(fā)測試的重點應(yīng)該集中在對以下項目的評估：材料、工藝，以及器件的光輸出量與工作壽命之間的關(guān)系。這樣的系統(tǒng)目前已經(jīng)有所需求，因為在即將來臨的產(chǎn)品和工藝開發(fā)過程中，只要對其進行較小的修正，就可以用來對顯示器件的特性進行分析，以檢測實施中的工藝，幫助制造商提升產(chǎn)量和質(zhì)量曲線。

要開發(fā)用于OLED應(yīng)用的這類系統(tǒng)，可以如通過Keithley的儀器級解決方案，如同時具有精密電流和電壓測量能力的SourceMeter系列電流源表和電壓源表。此外，這些核心層I-V工具可提供系統(tǒng)級兼容性，兼容其他儀器和高密度開關(guān)系統(tǒng)，如2000系列DMM、7000系列開關(guān)主機架，以及2700系列集成化數(shù)據(jù)記錄儀。這些儀器可組合到多種多樣的配置中，以創(chuàng)建手動和自動測試系統(tǒng)，對壽命、I-V、光-電流-電壓(LIV)性能進行評估和檢測。

與OLED測試有關(guān)的問題之一是，這些結(jié)構(gòu)中的電容值比較高。雖然許多必須的測量項目與AMLCD器件相同，但是測試系統(tǒng)和測量方法必須能夠在不過分增加測試時間的情況下，處理比較高的電容值。另外，如果OEL FPD的像素是有源發(fā)光器件，那么同時在DC和脈沖DC操作環(huán)境下對LIV性能進行描述是相當重要的，這就帶來了額外的測試復(fù)雜性。

演進中的OEL測試系統(tǒng)

面向OLED和LEP領(lǐng)域的研究人員和工藝開發(fā)工程師，Keithley通過整合自己在傳統(tǒng)半導(dǎo)體和特種激光二極管測試方面的經(jīng)驗，開發(fā)了I-V和LIV特性測試儀器和分析系統(tǒng)。為了滿足新興生產(chǎn)系統(tǒng)方面的電氣測試需求，Keithley量身定做的儀器和系統(tǒng)平臺不但適合先進器件的測量，同時還滿足大測試產(chǎn)量和緊密集成的功能性測試系統(tǒng)的要求。

通過優(yōu)化2400系列和2500 SourceMeter I-V系列以及LIV特性分析系統(tǒng)的能力，并將他們與高密度開關(guān)系統(tǒng)組合，Keithley提供范圍為數(shù)十至數(shù)百個通道的測試解決方案。這樣，通過與客戶密切合作，就可以為原型設(shè)計或大量生產(chǎn)系統(tǒng)，創(chuàng)建具有豐富的專有性能和價格范圍的排/列I/O。

作者簡介：
Charles Cimino and David Rose
Keithley Instruments, Inc.
譯文刊登于《無線電技術(shù)》，查閱原文，請訪問http://www.wxdjs.com。關(guān)于FPD測試技術(shù)的進一步信息，請參考美國吉時利儀器公司（Keithley Instruments, Inc.）技術(shù)白皮書《New Test Realities for Evolving FPD Technologies》，網(wǎng)址為http://www.keithley.com/data?asset=10558。