OLED、TFT LCD液晶平板顯示電路及材料測試

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OLED、TFT LCD液晶平板顯示電路及材料測試描述
對于OLED和OLED顯示器的性能，有幾個(gè)電指標(biāo)非常重要：
反向偏置漏電流
正向和反向偏置時(shí)的I-V掃描特性
顯示器像素的短路和開路測試
上述測試將首先在單像素測試的敘述中進(jìn)行討論。通過使用開關(guān)，可以對單像素測試進(jìn)行擴(kuò)展以實(shí)現(xiàn)不同尺寸多像素顯示器的測試。

有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示器采用了一種新穎的平板技術(shù)。它以有機(jī)材料涂層構(gòu)成一個(gè)p-n結(jié)，當(dāng)注入的載流子復(fù)合時(shí)就會發(fā)光。在OLED顯示器中，每個(gè)OLED形成一個(gè)像素，每個(gè)像素縱向橫向排列形成一個(gè)矩陣。OLED可以是單色的（黑白
色），而疊層的OLED可以產(chǎn)生多種顏色。一個(gè)典型的彩色OLED是由RGB（紅、綠、蘭）像素構(gòu)成的。OLED可以分成有源（主動(dòng)）矩陣和無源（被動(dòng)）矩陣（兩者兼用或只用其一）。與有源尋址方式相比，圖1中所示的無源尋址方式比較簡單且成本
也較低，因而是小型顯示器較常用的方法。
在研發(fā)和生產(chǎn)階段，顯示器的電特性測試包括對每個(gè)顯示像素的OLED I-V性能的測試、反偏漏電流的測試以及開路短路測試。OLED的I-V特性近似于二極管的I-V特性。但OLED還會呈現(xiàn)一些不同的特性，這是由于材料的無序性以及與高度規(guī)則的半
導(dǎo)體相比所顯示出的低得多的載流子遷移率。由此形成的空間電荷將產(chǎn)生無數(shù)的瞬態(tài)效應(yīng)，其中的有些效應(yīng)在時(shí)間上覆蓋了好幾個(gè)數(shù)量級。由掃描電壓的方向和速度所產(chǎn)生的電流磁滯效應(yīng)，也存在于OLED中。必須對這些效應(yīng)進(jìn)行正確的特征化和理
解，才可將DC測試結(jié)果與顯示器的品質(zhì)相關(guān)聯(lián)。
這一應(yīng)用筆記將對幾個(gè)低成本無源OLED顯示器DC測量系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)介紹。這幾個(gè)系統(tǒng)可以滿足目前生產(chǎn)測試所要求的精度和高吞吐量。

反向偏置漏電流
反偏漏電流測試中的測試設(shè)備、電纜、夾具的選擇，是由漏電流的大小量級和所需的測量精度決定的。漏電流簡單地講就是在特定的反向偏壓下流過器件的電流。既然是這樣，那么測試系統(tǒng)就必須能夠在器件兩端之間輸出一個(gè)穩(wěn)定的電壓，然后
能精確地測定相對很小的電流。對于某些產(chǎn)品，若測得的漏電流小于預(yù)先規(guī)定閾值（比如數(shù)十納安）便認(rèn)為產(chǎn)品合格。在這種情況下，用2400型源表進(jìn)行簡單的“合格/不合格”測試也就足夠了，可以達(dá)到10-8-10-9A的電流測量精度。如果使用一個(gè)帶有電壓源的靜電計(jì)、一個(gè)有恰當(dāng)保護(hù)的夾具和三同軸電纜，那就可以測試低到10-14A的電流。圖2是一個(gè)表示如何對單個(gè)OLED進(jìn)行反偏漏電流測量的接線圖。
正偏與反偏I(xiàn)-V特性 在“反偏漏電流”一節(jié)中描述的配置，也可以用來進(jìn)行正偏和反偏的電壓掃描與電流測量。2400型和6517A型都帶有由微處理器控制的雙極性電壓源。這就可以完成這樣的一個(gè)操作：
輸出一連串的電壓，同時(shí)測量相應(yīng)的電流，再把測試結(jié)果存入存儲器直到掃描完成。然后，把所有的測量數(shù)據(jù)下載到PC機(jī)進(jìn)行后處理。

Series 圖1：無源OLED（PMOLED）顯示器的結(jié)構(gòu)圖 圖2：源表測試OLED反偏漏電流的接線圖，用2400源表測試電流可以低至 10-8A；用6517A型靜電計(jì)可以測到10-14A。

顯示器測試
對一個(gè)以像素陣列組成的顯示器進(jìn)行測試，需要自動(dòng)對信號進(jìn)行路由切換，以便將電源切換至被測像素上。一種GPIB控制的開關(guān)系統(tǒng)，例如7002可以對其內(nèi)部的二維繼電器開關(guān)掃描卡進(jìn)行控制。圖3中的結(jié)構(gòu)圖說明了如何把兩個(gè)多路復(fù)用（multiplex）掃描卡連接至一個(gè)被測顯示器，以此構(gòu)成一個(gè)40×40的陣列。在這個(gè)例子中，只使用了一個(gè)2400型源表，此外還使用了7015-C型1×40雙刀固態(tài)繼電器多路復(fù)用卡。7015-C屬于固態(tài)繼電器開關(guān)，其切換時(shí)間小于500微秒，以保證的測試吞吐率。當(dāng)使用2400型源表時(shí)，每個(gè)掃描卡的偏置電流遠(yuǎn)小于1nA，以使對漏電流的測量精度達(dá)到10-8-10-9A。僅采用一個(gè)源表的測試系統(tǒng)中，掃描卡上所有與行和列相連的繼電器就只需是單刀，將“高”端或“低”端連至顯示器行和列即可。
圖3：使用兩個(gè)7015-C掃描卡、一個(gè)40×40樣品顯示器和一個(gè)2400源表的連線圖。
用兩個(gè)或四個(gè)源表而不用一個(gè)源表來搭建測試系統(tǒng)，就保證了更高的吞吐率和更有效的開關(guān)資源利用。圖4a和4b表示了兩個(gè)和四個(gè)2400型源表通過7015-C的1×40多路復(fù)用卡與顯示器相連的情況。用了兩個(gè)或四個(gè)源表之后，就要把繼電器的“高”和“低”端全都連接到顯示器的列上。這一結(jié)構(gòu)允許在每個(gè)測試周期內(nèi)同時(shí)對兩個(gè)或四個(gè)像素進(jìn)行測試。
每個(gè)7015-C卡包含四組“A”、“B”、“C”、“D”；或者包含四個(gè)獨(dú)立的、雙刀1×10多路復(fù)用卡。當(dāng)使用兩個(gè)源表時(shí)，四個(gè)組的“高”輸入端被連在一起，并與1號源表相連；而四個(gè)組的“低”輸入端也被連在一起，再與2號源表相連。對于使用四個(gè)源表的系統(tǒng)，A組和B組的“高”輸入端需要連在一起，A組和B組的“低”輸入端也要連在一起。然后把兩個(gè)1×20分線器與1號和2號源表相連。對于C組、D組以及3號、4號源表，采用相同的連接方式。
一個(gè)應(yīng)用所需要的掃描卡的數(shù)量取決于顯示器的規(guī)模，也就是像素行與像素列的數(shù)量。采用7015-C型卡之后，每80列需要一塊掃描卡，以及每40行需要一塊掃描卡。按規(guī)定，7002型開關(guān)主板可以容納10個(gè)卡；如果需要10個(gè)以上的掃描卡，就可以對系統(tǒng)多加一塊7002型開關(guān)板。
一個(gè)完整測試周期包括以下幾部分：相應(yīng)的繼電器閉合，把測試信號路由至被測像素，再由源表給出測試信號并進(jìn)行測量。利用測試儀中的固件對掃描進(jìn)行預(yù)編程的能力，大大減少了傳送到每個(gè)測試儀的SCPI命令的數(shù)量。這就使GPIB總線在
測試期間包括數(shù)據(jù)傳輸在內(nèi)的流量減到最小。二進(jìn)制數(shù)據(jù)的格式化把每個(gè)測試周期內(nèi)所傳輸?shù)淖止?jié)數(shù)從17字節(jié)降到了4字節(jié)。2361型是一個(gè)帶有6路輸入與輸出的觸發(fā)控制器，其功能是對硬件觸發(fā)信號進(jìn)行處理，而這些硬件觸發(fā)信號則為2400型
源表的源測試操作、以及7002中的開關(guān)操作，提供了高速同步信號。7011-MTC-2型設(shè)備是一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的多芯電纜，它把掃描卡的輸入輸出與測試夾具相連，而測試夾具上裝有7011-MTR型96針的連接器。依靠恰當(dāng)?shù)能浖?，開關(guān)系統(tǒng)可以支持對整個(gè)顯示器或單獨(dú)像素的漏電流、開路短路和I-V曲線的分析。
圖5是一個(gè)帶有四個(gè)2400、一個(gè)7002和一個(gè)2361的測試系統(tǒng)的連線圖。
以10-12A的電流測量的精度和分辨率進(jìn)行自動(dòng)化顯示器測試，就要求使用小于1pA漏電流額定值的掃描卡、有保護(hù)的測試夾具、若干低噪聲的同軸或三同軸電纜和一個(gè)高速靜電計(jì)，比如6517A型靜電計(jì)，而不用2400型。這一應(yīng)用中的7158型
1×10多路復(fù)用器的小電流掃描卡具有小于1pA（典型值為小于30fA）的偏置電流額定值，這就使6517A的小電流測試能力更加*。30V的操作范圍保證了使用同軸電纜使用的保護(hù)電路不會產(chǎn)生安全隱患。對于超過30V的應(yīng)用，可以用帶有三同
圖4：使用兩個(gè)7015-C型掃描卡和一個(gè)40×80樣品顯示器的連線圖，a)采用兩 個(gè)2400型源表，b)采用四個(gè)2400型源表。
軸電纜的7058型1×10多路復(fù)用器低電流掃描卡來代替7158型。7058型的每個(gè)卡的繼電器密度為7015-C型密度的25%（7058為1×10，而7015為1×40），所以，如果尺寸一定，就需要增加若干塊掃描卡才可適合顯示器的要求。此外，7158和7058的每個(gè)輸入端都有一個(gè)用保護(hù)端子圍住的觸點(diǎn)或HI接線端；與此不同的是，7015型的每個(gè)輸入端都有雙觸點(diǎn)的HI和LO接線端。7158型和7058型掃描卡的有保護(hù)的信號通路提供了的低電流性能；但顯示器中只有一個(gè)列可以與每個(gè)繼電器相連，而7015-C掃描卡可以有兩列。其結(jié)果是，使用7158和7058卡，就要求每十行一塊卡和每十列一塊卡，這就大大超過了7015-C所要求的每40行一塊卡和每80列一塊卡的情況。
6517A型靜電計(jì)使用同軸電纜連接到7158型掃描卡；當(dāng)使用7058掃描卡時(shí)需用三同軸電纜。在構(gòu)成更大陣列時(shí)，需用同軸或三同軸電纜把7158和7058卡連接起來，以形成一個(gè)用于顯示器每一邊的具有足夠扇出數(shù)的多路復(fù)用器。再用同軸或三同軸電纜把掃描卡的輸入/輸出連接到測試夾具。如果需要帶保護(hù)的操作，那就必須使用恰當(dāng)?shù)倪B接器，并對測試夾具內(nèi)部進(jìn)行隔離。關(guān)于精密低電流測量以及保護(hù)、穩(wěn)定時(shí)間對測試速度的影響等方面的進(jìn)一步內(nèi)容，可參閱“低電平測量”的當(dāng)前版本，這些文章由Keithley儀器公司發(fā)表，如有需要可免費(fèi)提供。
測試夾具的設(shè)計(jì)與建造
我們曾經(jīng)構(gòu)建了一個(gè)用于48×64 OLED陣列的測試夾具，用以研究以四個(gè)2400源表構(gòu)成的OLED測試系統(tǒng)的性能。電路板上的走線將3個(gè)安裝在夾具邊緣的7011-MTR 96針連接器與治具(jig)下方的接觸焊點(diǎn)相連；該治具由Delrin制造，顯示器就被置于其中。三條7011-MTC-2電纜把夾具連接到位于7002型儀器內(nèi)部的7015-C掃描卡。Silver ZEBRA 彈性連接器通過Delrin治具，提供了一條從電路板上的連接焊點(diǎn)到顯示器邊緣連接點(diǎn)之間、可靠、穩(wěn)定的低電阻連接通路。在顯示器被插入夾具內(nèi)并貼著X與Y基準(zhǔn)面放置后，再用四個(gè)蝶形

圖5：OLED特征化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，圖中使用了7002型掃描主板、2361型觸發(fā)控制器和四個(gè)2400型源表。 圖6：一個(gè)用于48×64顯示器的OLED測試夾具頂視圖 圖7：48×64 OLED顯示器的治具的詳細(xì)視圖
螺釘把框架固定其上，以使顯示器穩(wěn)妥可靠。治具內(nèi)下沉的深度和框架上螺絲的高度進(jìn)行合理設(shè)計(jì)、最終不會對ZEBRA連接器上的顯示器觸點(diǎn)產(chǎn)生過大的壓力。圖6給出了完整夾具的頂視圖，而圖7給出了安裝在電路板上的治具的詳細(xì)視圖。

測量誤差的來源
測量誤差的來源是由測試系統(tǒng)的精度、以及在對OLED給出信號和進(jìn)行測量期間所未曾想到的瞬態(tài)過程引起的。在進(jìn)行快速的生產(chǎn)測試時(shí)，在穩(wěn)定狀態(tài)下進(jìn)行精確DC測量的能力，是與盡可能快地完成測試的需求相互牽制的。測試周期的時(shí)間長短是
由源/測量以及開關(guān)操作組成的，而這一周期時(shí)間可以有非常大的變化范圍。比如，如果2400被設(shè)置成用最短的測試時(shí)間間隔(aperture)完成操作，即0.01 NPLC，那么源/測量過程就可以在1ms內(nèi)完成。如果把積分(integration)周期或測量時(shí)間增加到1.0 NPLC，那么測量時(shí)間就增加到大約17ms。用犧牲測試速度來增加測試時(shí)間間隔的好處是，可以得到極優(yōu)的噪聲抑制，也就是在比較“安靜”的狀態(tài)下進(jìn)行測試。
為了得到穩(wěn)定和可重復(fù)的測量，關(guān)鍵一點(diǎn)是被測參數(shù)在源/測量期間達(dá)到和保持在一個(gè)穩(wěn)定值上。這個(gè)概念對于OLED測試是特別重要的。OLED的電與光的特性是與時(shí)間有關(guān)的，而且呈現(xiàn)出滯后效應(yīng)1,2。與比較熟悉的基于半導(dǎo)體的光電發(fā)射器相
比，OLED的電特性則非常之不同。由于這個(gè)原因，我們在試圖設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè)自動(dòng)化測試系統(tǒng)之前，必須對測試參數(shù)的瞬態(tài)行為有一個(gè)完整的理解。瞬態(tài)過程的特性也有助于測試協(xié)議的開發(fā)，并可簡化測試數(shù)據(jù)的分析，以及增進(jìn)對測試系統(tǒng)的可信度。信號源延遲時(shí)間，也就是，從把信號加到OLED至測量開始之間的這一可變的時(shí)間延遲，也許可以用來降低瞬態(tài)效應(yīng)。
圖8表示了在測試系統(tǒng)被設(shè)置為NPLC = 10以及信號源延遲從0.0005變化到10秒的條件下，對四像素同時(shí)測試時(shí)的每個(gè)像素的漏電流。為了達(dá)到小于1nA的穩(wěn)態(tài)漏電流，就至少需要數(shù)秒的時(shí)間。
測試系統(tǒng)的測試性能取決于測試儀器的基本精度、以及由系統(tǒng)中其他元件引起的誤差源。電纜和開關(guān)卡的漏電流是電流測量的一個(gè)誤差源。對于測試夾具和電纜連線，這一誤差會隨著被測電流值的降低而增加。選擇正確的掃描卡，也就是
說，掃描卡的額定漏電流至少要比最小的被測電流低一個(gè)數(shù)量級，該指標(biāo)非常關(guān)鍵。對于設(shè)計(jì)成用2400進(jìn)行10-8A測量的測試系統(tǒng)，無需保護(hù)電路。
采用兩線感出結(jié)構(gòu)的電壓測量誤差，是由掃描卡上使用的繼電器的“導(dǎo)通”電阻以及電纜的電阻壓降損耗產(chǎn)生的。7015-C卡上的兩個(gè)繼電器合起來，將對信號通路產(chǎn)生 < 300Ω的電阻。對于小于50μA的電流測量，包含典型的電阻壓降損耗在
內(nèi)的電壓誤差將是很小的，其典型值為 < 15μV。對于較大的電流測量，比如當(dāng)顯示器的一整列被激勵(lì)時(shí)，誤差將正比于OLED的電流。這一數(shù)值也許可以用Verror = 2 * (Rrelay)×IOLED(s)來計(jì)算。那些要求電壓測量精度非常高的應(yīng)用，也就是，電壓測量不受DUT電流的影響，則需要一種四線測試結(jié)構(gòu)。
7158型和7058型掃描卡上的機(jī)械繼電器有一個(gè)大約等于或小于1Ω的接觸電阻，由此引起的電壓誤差是可以忽略的，即使在大電流時(shí)也如此。對于這一應(yīng)用，由下述掃描卡的接觸電勢所引起的誤差也許也可看作是可忽略的；這些掃描卡的接觸
電勢是：7015-C為 < 5mV，7058和7158分別為 < 250μV和 <200μV。
測試系統(tǒng)的測試性能
我們曾對采用四個(gè)2400的測試系統(tǒng)的測試速度、小電流和小電壓測量精度，在一系列不同的測量時(shí)間間隔條件下（即不同的NPLC設(shè)定參數(shù)）進(jìn)行過特征化測試。NPLC參數(shù)與測試時(shí)間間
隔有如下關(guān)系式
測試時(shí)間間隔（秒）= 1/60（NPLC參數(shù)）
圖9表示了2400型源表NPLC值從0.01到1.0時(shí)，在10-2A、10-3A、10-4A、10-5A和10-6A量程內(nèi)的低電流測量性能。測試電流的大小接近每個(gè)量程的值，而每個(gè)測量點(diǎn)則代表100次測量的標(biāo)準(zhǔn)差。測試結(jié)果表明，對于每一個(gè)很短的積分(integra?tion)時(shí)間，即 < 0.1 NPLC，在10-2A、10-3A和10-4A量程下，電流測量的標(biāo)準(zhǔn)差小于滿量程的0.005%，而在10-5A和10-6A量程下小于0.08%。在10-5A和10-6A量程下以高測試速度測量時(shí)，±3σ的測試可重復(fù)性達(dá)到了< 2nA。圖10表示了一個(gè)以四個(gè)2400構(gòu)建的測試系統(tǒng)的測試吞吐率的測量結(jié)果（該結(jié)果表示為NPLC設(shè)定值的函數(shù)）。
圖8：四像素測試時(shí)每個(gè)像素的反向偏置電流，其中源/測量時(shí)間延遲從 0.0005變化到10秒，使用6V偏壓。 圖9：2400源表的電流測量值的標(biāo)準(zhǔn)差與NPLC的關(guān)系曲線，其中的測試量程為 10-2A、10-3A、10-4A、10-5A和10-6A。
當(dāng)用于單個(gè)像素的開路、短路測量時(shí)，2400被配置成一個(gè)電流源，然后進(jìn)行電壓測量。PC機(jī)通過電流源輸出值和電壓測量值計(jì)算出電阻。這一技術(shù)直接使用了2400進(jìn)行電阻測量，從而縮短了與電阻測量有關(guān)的測量時(shí)間。測量精度接近或小于0.2%
，而這一性能水平對于“合格或不合格”的測試是足夠了。它的測試吞吐率為漏電流測試速度的百分之幾。
在對電纜、掃描卡和夾具的設(shè)計(jì)中使用保護(hù)，可大大降低漏電流，而且能夠?yàn)榛?517A型靜電計(jì)和7158、7058型掃描卡的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低電流的測量提供支持。加保護(hù)的信號通路縮短了與低電流測量所需的較長穩(wěn)定時(shí)間，這進(jìn)而又縮短了測試時(shí)
間。即使采用了保護(hù)電路，6517A的測量速度仍比不上2400，所以它的吞吐率將會低一些。
可以采用四個(gè)6517A和低電流掃描卡組成的系統(tǒng)進(jìn)行一次性能研究，但由于測試夾具和電纜走線對測試系統(tǒng)有很大的影響而使此項(xiàng)研究未能實(shí)現(xiàn)。這些部件通常是客戶提供的，而漏電流的大小可以有非常大的變化范圍，這就影響到了低電流性能
和測試穩(wěn)定時(shí)間。

顯示器的測試結(jié)果
為了說明實(shí)現(xiàn)這一測試方案所達(dá)到的結(jié)果，我們用四個(gè)源表的測試系統(tǒng)對一個(gè)48×64的OLED顯示器進(jìn)行了正向電流、電阻和反向偏置的測量。測量速度被設(shè)定為1個(gè)NPLC（即，積分時(shí)間 = 16.7毫秒），并有1秒的信號源延遲。該延遲可以保證在測試開始前信號達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。圖11給出了對一個(gè)認(rèn)為有缺陷的顯示器的像素電阻的測試結(jié)果。測試數(shù)據(jù)表明幾乎所有的像素都有相對很高的“導(dǎo)通”電阻，即 > 100kΩ。其中的兩個(gè)像素有非常低的電阻，一個(gè)位于第3行第60列，測得的電
阻約為1kΩ；另一個(gè)位于第4行第37列，測得的電阻在1kΩ與100kΩ之間。實(shí)際的動(dòng)態(tài)電阻可以計(jì)算為 Rd = Vpixel / Ipixel
式中的Vpixel和Ipixel分別是像素的電壓和電流。在2V偏壓下，典型的像素電流大約為20nA，這相當(dāng)于一個(gè)108Ω的動(dòng)態(tài)電阻。因此，這兩個(gè)動(dòng)態(tài)電阻位于1kΩ與100kΩ之間的像素看來是有缺陷的。
圖12示出了另一個(gè)顯示器的正向電流損耗與像素之間的關(guān)系，其中的Vbias = 6V。幾乎所有的像素都表現(xiàn)出大約11-13μA的正向電流損耗。對2400型源表設(shè)定了1mA的正向電流限值(compliance)或保護(hù)電流值，以防止對顯示器流過太大的電流
而造成損壞。
為了對測試系統(tǒng)中每一個(gè)信號通路的漏電流的殘余測量誤差進(jìn)行測量，就需要把一塊尺寸與OLED顯示器一樣的玻璃片插入測試夾具內(nèi)。然后在施加Vbias = -6V的偏壓后作一次掃描。圖13給出了這個(gè)掃描的結(jié)果。在任何一個(gè)像素位置上的電纜、繼電器和測試夾具的漏電流總和均小于80pA。在這些測試中，還考慮到了每個(gè)2400的“零點(diǎn)誤差”；所謂“零點(diǎn)誤差”
是指在0V偏壓下的電流偏離值。
圖10：采用四個(gè)2400的OLED特征化系統(tǒng)的測試吞吐率 圖11：電阻與像素的關(guān)系圖，所加的偏壓為Vbias = 2V 圖12：電流消耗與像素的關(guān)系圖，所加的偏壓為Vbias = 6V
圖14給出了在Vreverse = 6V下的反偏測量的結(jié)果。對于這個(gè)測試，由于考慮到了圖9中所示的時(shí)間效應(yīng)對于反偏漏電流的影響，我們把積分時(shí)間設(shè)置為10 NPLC，把信號源延遲時(shí)間設(shè)置為15秒。

設(shè)備清單
707B六槽半導(dǎo)體開關(guān)矩陣，具有高達(dá) 576 個(gè)相交點(diǎn)
四個(gè)2400系列源表
2361型觸發(fā)控制器
五條8503型DIN至BNC的觸發(fā)電纜
六條GPIB電纜
7015-C型固態(tài)繼電器1×40多路復(fù)用開關(guān)（每80顯示列用1卡，每40顯示行用1卡）
7011-MTC-2型多端子電纜集線器(mass terminated cable assemblies)（每個(gè)7015-C卡用一個(gè)）
7011-MTR型 96針DIN公頭（每個(gè)7011-MTC-2用一個(gè)）