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，有幾個電指標非常重要：
反向偏置漏電流
正向和反向偏置時的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行討論。通過使用開關，可以對單像素測試進行擴展以實現不同尺寸多像素顯示器的測試。

有機發光二極管（OLED）顯示器采用了一種新穎的平板技術。它以有機材料涂層構成一個p-n結，當注入的載流子復合時就會發光。在OLED顯示器中，每個OLED形成一個像素，每個像素縱向橫向排列形成一個矩陣。OLED可以是單色的（黑白
色），而疊層的OLED可以產生多種顏色。一個典型的彩色OLED是由RGB（紅、綠、蘭）像素構成的。OLED可以分成有源（主動）矩陣和無源（被動）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。
在研發和生產階段，顯示器的電特性測試包括對每個顯示像素的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還會呈現一些不同的特性，這是由于材料的無序性以及與高度規則的半
導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生無數的瞬態效應，其中的有些效應在時間上覆蓋了好幾個數量級。由掃描電壓的方向和速度所產生的電流磁滯效應，也存在于OLED中。必須對這些效應進行正確的特征化和理
解，才可將DC測試結果與顯示器的品質相關聯。
這一應用筆記將對幾個低成本無源OLED顯示器DC測量系統進行詳細介紹。這幾個系統可以滿足目前生產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，那么測試系統就必須能夠在器件兩端之間輸出一個穩定的電壓，然后
能精確地測定相對很小的電流。對于某些產品，若測得的漏電流小于預先規定閾值（比如數十納安）便認為產品合格。在這種情況下，用2400型源表進行簡單的“合格/不合格”測試也就足夠了，可以達到10-8-10-9A的電流測量精度。如果使用一個帶有電壓源的靜電計、一個有恰當保護的夾具和三同軸電纜，那就可以測試低到10-14A的電流。圖2是一個表示如何對單個OLED進行反偏漏電流測量的接線圖。
正偏與反偏I-V特性 在“反偏漏電流”一節中描述的配置，也可以用來進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操作：
輸出一連串的電壓，同時測量相應的電流，再把測試結果存入存儲器直到掃描完成。然后，把所有的測量數據下載到PC機進行后處理。

Series 圖1：無源OLED（PMOLED）顯示器的結構圖 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型靜電計可以測到10-14A。

顯示器測試
對一個以像素陣列組成的顯示器進行測試，需要自動對信號進行路由切換，以便將電源切換至被測像素上。一種GPIB控制的開關系統，例如7002可以對其內部的二維繼電器開關掃描卡進行控制。圖3中的結構圖說明了如何把兩個多路復用（multiplex）掃描卡連接至一個被測顯示器，以此構成一個40×40的陣列。在這個例子中，只使用了一個2400型源表，此外還使用了7015-C型1×40雙刀固態繼電器多路復用卡。7015-C屬于固態繼電器開關，其切換時間小于500微秒，以保證的測試吞吐率。當使用2400型源表時，每個掃描卡的偏置電流遠小于1nA，以使對漏電流的測量精度達到10-8-10-9A。僅采用一個源表的測試系統中，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7015-C掃描卡、一個40×40樣品顯示器和一個2400源表的連線圖。
用兩個或四個源表而不用一個源表來搭建測試系統，就保證了更高的吞吐率和更有效的開關資源利用。圖4a和4b表示了兩個和四個2400型源表通過7015-C的1×40多路復用卡與顯示器相連的情況。用了兩個或四個源表之后，就要把繼電器的“高”和“低”端全都連接到顯示器的列上。這一結構允許在每個測試周期內同時對兩個或四個像素進行測試。
每個7015-C卡包含四組“A”、“B”、“C”、“D”；或者包含四個獨立的、雙刀1×10多路復用卡。當使用兩個源表時，四個組的“高”輸入端被連在一起，并與1號源表相連；而四個組的“低”輸入端也被連在一起，再與2號源表相連。對于使用四個源表的系統，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。
一個應用所需要的掃描卡的數量取決于顯示器的規模，也就是像素行與像素列的數量。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。按規定，7002型開關主板可以容納10個卡；如果需要10個以上的掃描卡，就可以對系統多加一塊7002型開關板。
一個完整測試周期包括以下幾部分：相應的繼電器閉合，把測試信號路由至被測像素，再由源表給出測試信號并進行測量。利用測試儀中的固件對掃描進行預編程的能力，大大減少了傳送到每個測試儀的SCPI命令的數量。這就使GPIB總線在
測試期間包括數據傳輸在內的流量減到最小。二進制數據的格式化把每個測試周期內所傳輸的字節數從17字節降到了4字節。2361型是一個帶有6路輸入與輸出的觸發控制器，其功能是對硬件觸發信號進行處理，而這些硬件觸發信號則為2400型
源表的源測試操作、以及7002中的開關操作，提供了高速同步信號。7011-MTC-2型設備是一個特殊設計的多芯電纜，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。依靠恰當的軟件，開關系統可以支持對整個顯示器或單獨像素的漏電流、開路短路和I-V曲線的分析。
圖5是一個帶有四個2400、一個7002和一個2361的測試系統的連線圖。
以10-12A的電流測量的精度和分辨率進行自動化顯示器測試，就要求使用小于1pA漏電流額定值的掃描卡、有保護的測試夾具、若干低噪聲的同軸或三同軸電纜和一個高速靜電計，比如6517A型靜電計，而不用2400型。這一應用中的7158型
1×10多路復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電路不會產生安全隱患。對于超過30V的應用，可以用帶有三同
圖4：使用兩個7015-C型掃描卡和一個40×80樣品顯示器的連線圖，a)采用兩 個2400型源表，b)采用四個2400型源表。
軸電纜的7058型1×10多路復用器低電流掃描卡來代替7158型。7058型的每個卡的繼電器密度為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的每個輸入端都有一個用保護端子圍住的觸點或HI接線端；與此不同的是，7015型的每個輸入端都有雙觸點的HI和LO接線端。7158型和7058型掃描卡的有保護的信號通路提供了的低電流性能；但顯示器中只有一個列可以與每個繼電器相連，而7015-C掃描卡可以有兩列。其結果是，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型靜電計使用同軸電纜連接到7158型掃描卡；當使用7058掃描卡時需用三同軸電纜。在構成更大陣列時，需用同軸或三同軸電纜把7158和7058卡連接起來，以形成一個用于顯示器每一邊的具有足夠扇出數的多路復用器。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。如果需要帶保護的操作，那就必須使用恰當的連接器，并對測試夾具內部進行隔離。關于精密低電流測量以及保護、穩定時間對測試速度的影響等方面的進一步內容，可參閱“低電平測量”的當前版本，這些文章由Keithley儀器公司發表，如有需要可免費提供。
測試夾具的設計與建造
我們曾經構建了一個用于48×64 OLED陣列的測試夾具，用以研究以四個2400源表構成的OLED測試系統的性能。電路板上的走線將3個安裝在夾具邊緣的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到顯示器邊緣連接點之間、可靠、穩定的低電阻連接通路。在顯示器被插入夾具內并貼著X與Y基準面放置后，再用四個蝶形

圖5：OLED特征化系統的結構圖，圖中使用了7002型掃描主板、2361型觸發控制器和四個2400型源表。 圖6：一個用于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視圖
螺釘把框架固定其上，以使顯示器穩妥可靠。治具內下沉的深度和框架上螺絲的高度進行合理設計、最終不會對ZEBRA連接器上的顯示器觸點產生過大的壓力。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視圖。

測量誤差的來源
測量誤差的來源是由測試系統的精度、以及在對OLED給出信號和進行測量期間所未曾想到的瞬態過程引起的。在進行快速的生產測試時，在穩定狀態下進行精確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。測試周期的時間長短是
由源/測量以及開關操作組成的，而這一周期時間可以有非常大的變化范圍。比如，如果2400被設置成用最短的測試時間間隔(aperture)完成操作，即0.01 NPLC，那么源/測量過程就可以在1ms內完成。如果把積分(integration)周期或測量時間增加到1.0 NPLC，那么測量時間就增加到大約17ms。用犧牲測試速度來增加測試時間間隔的好處是，可以得到極優的噪聲抑制，也就是在比較“安靜”的狀態下進行測試。
為了得到穩定和可重復的測量，關鍵一點是被測參數在源/測量期間達到和保持在一個穩定值上。這個概念對于OLED測試是特別重要的。OLED的電與光的特性是與時間有關的，而且呈現出滯后效應1,2。與比較熟悉的基于半導體的光電發射器相
比，OLED的電特性則非常之不同。由于這個原因，我們在試圖設計和實現一個自動化測試系統之前，必須對測試參數的瞬態行為有一個完整的理解。瞬態過程的特性也有助于測試協議的開發，并可簡化測試數據的分析，以及增進對測試系統的可信度。信號源延遲時間，也就是，從把信號加到OLED至測量開始之間的這一可變的時間延遲，也許可以用來降低瞬態效應。
圖8表示了在測試系統被設置為NPLC = 10以及信號源延遲從0.0005變化到10秒的條件下，對四像素同時測試時的每個像素的漏電流。為了達到小于1nA的穩態漏電流，就至少需要數秒的時間。
測試系統的測試性能取決于測試儀器的基本精度、以及由系統中其他元件引起的誤差源。電纜和開關卡的漏電流是電流測量的一個誤差源。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數量級，該指標非常關鍵。對于設計成用2400進行10-8A測量的測試系統，無需保護電路。
采用兩線感出結構的電壓測量誤差，是由掃描卡上使用的繼電器的“導通”電阻以及電纜的電阻壓降損耗產生的。7015-C卡上的兩個繼電器合起來，將對信號通路產生 < 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，比如當顯示器的一整列被激勵時，誤差將正比于OLED的電流。這一數值也許可以用Verror = 2 * (Rrelay)×IOLED(s)來計算。那些要求電壓測量精度非常高的應用，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構。
7158型和7058型掃描卡上的機械繼電器有一個大約等于或小于1Ω的接觸電阻，由此引起的電壓誤差是可以忽略的，即使在大電流時也如此。對于這一應用，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。
測試系統的測試性能
我們曾對采用四個2400的測試系統的測試速度、小電流和小電壓測量精度，在一系列不同的測量時間間隔條件下（即不同的NPLC設定參數）進行過特征化測試。NPLC參數與測試時間間
隔有如下關系式
測試時間間隔（秒）= 1/60（NPLC參數）
圖9表示了2400型源表NPLC值從0.01到1.0時，在10-2A、10-3A、10-4A、10-5A和10-6A量程內的低電流測量性能。測試電流的大小接近每個量程的值，而每個測量點則代表100次測量的標準差。測試結果表明，對于每一個很短的積分(integra?tion)時間，即 < 0.1 NPLC，在10-2A、10-3A和10-4A量程下，電流測量的標準差小于滿量程的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，±3σ的測試可重復性達到了< 2nA。圖10表示了一個以四個2400構建的測試系統的測試吞吐率的測量結果（該結果表示為NPLC設定值的函數）。
圖8：四像素測試時每個像素的反向偏置電流，其中源/測量時間延遲從 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準差與NPLC的關系曲線，其中的測試量程為 10-2A、10-3A、10-4A、10-5A和10-6A。
當用于單個像素的開路、短路測量時，2400被配置成一個電流源，然后進行電壓測量。PC機通過電流源輸出值和電壓測量值計算出電阻。這一技術直接使用了2400進行電阻測量，從而縮短了與電阻測量有關的測量時間。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、掃描卡和夾具的設計中使用保護，可大大降低漏電流，而且能夠為基于6517A型靜電計和7158、7058型掃描卡的系統，實現低電流的測量提供支持。加保護的信號通路縮短了與低電流測量所需的較長穩定時間，這進而又縮短了測試時
間。即使采用了保護電路，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6517A和低電流掃描卡組成的系統進行一次性能研究，但由于測試夾具和電纜走線對測試系統有很大的影響而使此項研究未能實現。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
和測試穩定時間。

顯示器的測試結果
為了說明實現這一測試方案所達到的結果，我們用四個源表的測試系統對一個48×64的OLED顯示器進行了正向電流、電阻和反向偏置的測量。測量速度被設定為1個NPLC（即，積分時間 = 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到穩定狀態。圖11給出了對一個認為有缺陷的顯示器的像素電阻的測試結果。測試數據表明幾乎所有的像素都有相對很高的“導通”電阻，即 > 100kΩ。其中的兩個像素有非常低的電阻，一個位于第3行第60列，測得的電
阻約為1kΩ；另一個位于第4行第37列，測得的電阻在1kΩ與100kΩ之間。實際的動態電阻可以計算為 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，這相當于一個108Ω的動態電阻。因此，這兩個動態電阻位于1kΩ與100kΩ之間的像素看來是有缺陷的。
圖12示出了另一個顯示器的正向電流損耗與像素之間的關系，其中的Vbias = 6V。幾乎所有的像素都表現出大約11-13μA的正向電流損耗。對2400型源表設定了1mA的正向電流限值(compliance)或保護電流值，以防止對顯示器流過太大的電流
而造成損壞。
為了對測試系統中每一個信號通路的漏電流的殘余測量誤差進行測量，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。然后在施加Vbias = -6V的偏壓后作一次掃描。圖13給出了這個掃描的結果。在任何一個像素位置上的電纜、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2400的“零點誤差”；所謂“零點誤差”
是指在0V偏壓下的電流偏離值。
圖10：采用四個2400的OLED特征化系統的測試吞吐率 圖11：電阻與像素的關系圖，所加的偏壓為Vbias = 2V 圖12：電流消耗與像素的關系圖，所加的偏壓為Vbias = 6V
圖14給出了在Vreverse = 6V下的反偏測量的結果。對于這個測試，由于考慮到了圖9中所示的時間效應對于反偏漏電流的影響，我們把積分時間設置為10 NPLC，把信號源延遲時間設置為15秒。

設備清單
707B六槽半導體開關矩陣，具有高達 576 個相交點
四個2400系列源表
2361型觸發控制器
五條8503型DIN至BNC的觸發電纜
六條GPIB電纜
7015-C型固態繼電器1×40多路復用開關（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7015-C卡用一個）
7011-MTR型 96針DIN公頭（每個7011-MTC-2用一個）