OLED、TFT LCD液晶平板显示电路及材料测试

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OLED、TFT LCD液晶平板显示电路及材料测试描述
对于OLED和OLED显示器的性能，有几个电指标非常重要：
反向偏置漏电流
正向和反向偏置时的I-V扫描特性
显示器像素的短路和开路测试
上述测试将首先在单像素测试的叙述中进行讨论。通过使用开关，可以对单像素测试进行扩展以实现不同尺寸多像素显示器的测试。

有机发光二极管（OLED）显示器采用了一种新颖的平板技术。它以有机材料涂层构成一个p-n结，当注入的载流子复合时就会发光。在OLED显示器中，每个OLED形成一个像素，每个像素纵向横向排列形成一个矩阵。OLED可以是单色的（黑白
色），而叠层的OLED可以产生多种颜色。一个典型的彩色OLED是由RGB（红、绿、兰）像素构成的。OLED可以分成有源（主动）矩阵和无源（被动）矩阵（两者兼用或只用其一）。与有源寻址方式相比，图1中所示的无源寻址方式比较简单且成本
也较低，因而是小型显示器较常用的方法。
在研发和生产阶段，显示器的电特性测试包括对每个显示像素的OLED I-V性能的测试、反偏漏电流的测试以及开路短路测试。OLED的I-V特性近似于二极管的I-V特性。但OLED还会呈现一些不同的特性，这是由于材料的无序性以及与高度规则的半
导体相比所显示出的低得多的载流子迁移率。由此形成的空间电荷将产生无数的瞬态效应，其中的有些效应在时间上覆盖了好几个数量级。由扫描电压的方向和速度所产生的电流磁滞效应，也存在于OLED中。必须对这些效应进行正确的特征化和理
解，才可将DC测试结果与显示器的品质相关联。
这一应用笔记将对几个低成本无源OLED显示器DC测量系统进行详细介绍。这几个系统可以满足目前生产测试所要求的精度和高吞吐量。

反向偏置漏电流
反偏漏电流测试中的测试设备、电缆、夹具的选择，是由漏电流的大小量级和所需的测量精度决定的。漏电流简单地讲就是在特定的反向偏压下流过器件的电流。既然是这样，那么测试系统就必须能够在器件两端之间输出一个稳定的电压，然后
能精确地测定相对很小的电流。对于某些产品，若测得的漏电流小于预先规定阈值（比如数十纳安）便认为产品合格。在这种情况下，用2400型源表进行简单的“合格/不合格”测试也就足够了，可以达到10-8-10-9A的电流测量精度。如果使用一个带有电压源的静电计、一个有恰当保护的夹具和三同轴电缆，那就可以测试低到10-14A的电流。图2是一个表示如何对单个OLED进行反偏漏电流测量的接线图。
正偏与反偏I-V特性 在“反偏漏电流”一节中描述的配置，也可以用来进行正偏和反偏的电压扫描与电流测量。2400型和6517A型都带有由微处理器控制的双极性电压源。这就可以完成这样的一个操作：
输出一连串的电压，同时测量相应的电流，再把测试结果存入存储器直到扫描完成。然后，把所有的测量数据下载到PC机进行后处理。

Series 图1：无源OLED（PMOLED）显示器的结构图 图2：源表测试OLED反偏漏电流的接线图，用2400源表测试电流可以低至 10-8A；用6517A型静电计可以测到10-14A。

显示器测试
对一个以像素阵列组成的显示器进行测试，需要自动对信号进行路由切换，以便将电源切换至被测像素上。一种GPIB控制的开关系统，例如7002可以对其内部的二维继电器开关扫描卡进行控制。图3中的结构图说明了如何把两个多路复用（multiplex）扫描卡连接至一个被测显示器，以此构成一个40×40的阵列。在这个例子中，只使用了一个2400型源表，此外还使用了7015-C型1×40双刀固态继电器多路复用卡。7015-C属于固态继电器开关，其切换时间小于500微秒，以保证的测试吞吐率。当使用2400型源表时，每个扫描卡的偏置电流远小于1nA，以使对漏电流的测量精度达到10-8-10-9A。仅采用一个源表的测试系统中，扫描卡上所有与行和列相连的继电器就只需是单刀，将“高”端或“低”端连至显示器行和列即可。
图3：使用两个7015-C扫描卡、一个40×40样品显示器和一个2400源表的连线图。
用两个或四个源表而不用一个源表来搭建测试系统，就保证了更高的吞吐率和更有效的开关资源利用。图4a和4b表示了两个和四个2400型源表通过7015-C的1×40多路复用卡与显示器相连的情况。用了两个或四个源表之后，就要把继电器的“高”和“低”端全都连接到显示器的列上。这一结构允许在每个测试周期内同时对两个或四个像素进行测试。
每个7015-C卡包含四组“A”、“B”、“C”、“D”；或者包含四个独立的、双刀1×10多路复用卡。当使用两个源表时，四个组的“高”输入端被连在一起，并与1号源表相连；而四个组的“低”输入端也被连在一起，再与2号源表相连。对于使用四个源表的系统，A组和B组的“高”输入端需要连在一起，A组和B组的“低”输入端也要连在一起。然后把两个1×20分线器与1号和2号源表相连。对于C组、D组以及3号、4号源表，采用相同的连接方式。
一个应用所需要的扫描卡的数量取决于显示器的规模，也就是像素行与像素列的数量。采用7015-C型卡之后，每80列需要一块扫描卡，以及每40行需要一块扫描卡。按规定，7002型开关主板可以容纳10个卡；如果需要10个以上的扫描卡，就可以对系统多加一块7002型开关板。
一个完整测试周期包括以下几部分：相应的继电器闭合，把测试信号路由至被测像素，再由源表给出测试信号并进行测量。利用测试仪中的固件对扫描进行预编程的能力，大大减少了传送到每个测试仪的SCPI命令的数量。这就使GPIB总线在
测试期间包括数据传输在内的流量减到最小。二进制数据的格式化把每个测试周期内所传输的字节数从17字节降到了4字节。2361型是一个带有6路输入与输出的触发控制器，其功能是对硬件触发信号进行处理，而这些硬件触发信号则为2400型
源表的源测试操作、以及7002中的开关操作，提供了高速同步信号。7011-MTC-2型设备是一个特殊设计的多芯电缆，它把扫描卡的输入输出与测试夹具相连，而测试夹具上装有7011-MTR型96针的连接器。依靠恰当的软件，开关系统可以支持对整个显示器或单独像素的漏电流、开路短路和I-V曲线的分析。
图5是一个带有四个2400、一个7002和一个2361的测试系统的连线图。
以10-12A的电流测量的精度和分辨率进行自动化显示器测试，就要求使用小于1pA漏电流额定值的扫描卡、有保护的测试夹具、若干低噪声的同轴或三同轴电缆和一个高速静电计，比如6517A型静电计，而不用2400型。这一应用中的7158型
1×10多路复用器的小电流扫描卡具有小于1pA（典型值为小于30fA）的偏置电流额定值，这就使6517A的小电流测试能力更加*。30V的操作范围保证了使用同轴电缆使用的保护电路不会产生安全隐患。对于超过30V的应用，可以用带有三同
图4：使用两个7015-C型扫描卡和一个40×80样品显示器的连线图，a)采用两 个2400型源表，b)采用四个2400型源表。
轴电缆的7058型1×10多路复用器低电流扫描卡来代替7158型。7058型的每个卡的继电器密度为7015-C型密度的25%（7058为1×10，而7015为1×40），所以，如果尺寸一定，就需要增加若干块扫描卡才可适合显示器的要求。此外，7158和7058的每个输入端都有一个用保护端子围住的触点或HI接线端；与此不同的是，7015型的每个输入端都有双触点的HI和LO接线端。7158型和7058型扫描卡的有保护的信号通路提供了的低电流性能；但显示器中只有一个列可以与每个继电器相连，而7015-C扫描卡可以有两列。其结果是，使用7158和7058卡，就要求每十行一块卡和每十列一块卡，这就大大超过了7015-C所要求的每40行一块卡和每80列一块卡的情况。
6517A型静电计使用同轴电缆连接到7158型扫描卡；当使用7058扫描卡时需用三同轴电缆。在构成更大阵列时，需用同轴或三同轴电缆把7158和7058卡连接起来，以形成一个用于显示器每一边的具有足够扇出数的多路复用器。再用同轴或三同轴电缆把扫描卡的输入/输出连接到测试夹具。如果需要带保护的操作，那就必须使用恰当的连接器，并对测试夹具内部进行隔离。关于精密低电流测量以及保护、稳定时间对测试速度的影响等方面的进一步内容，可参阅“低电平测量”的当前版本，这些文章由Keithley仪器公司发表，如有需要可免费提供。
测试夹具的设计与建造
我们曾经构建了一个用于48×64 OLED阵列的测试夹具，用以研究以四个2400源表构成的OLED测试系统的性能。电路板上的走线将3个安装在夹具边缘的7011-MTR 96针连接器与治具(jig)下方的接触焊点相连；该治具由Delrin制造，显示器就被置于其中。三条7011-MTC-2电缆把夹具连接到位于7002型仪器内部的7015-C扫描卡。Silver ZEBRA 弹性连接器通过Delrin治具，提供了一条从电路板上的连接焊点到显示器边缘连接点之间、可靠、稳定的低电阻连接通路。在显示器被插入夹具内并贴着X与Y基准面放置后，再用四个蝶形

图5：OLED特征化系统的结构图，图中使用了7002型扫描主板、2361型触发控制器和四个2400型源表。 图6：一个用于48×64显示器的OLED测试夹具顶视图 图7：48×64 OLED显示器的治具的详细视图
螺钉把框架固定其上，以使显示器稳妥可靠。治具内下沉的深度和框架上螺丝的高度进行合理设计、最终不会对ZEBRA连接器上的显示器触点产生过大的压力。图6给出了完整夹具的顶视图，而图7给出了安装在电路板上的治具的详细视图。

测量误差的来源
测量误差的来源是由测试系统的精度、以及在对OLED给出信号和进行测量期间所未曾想到的瞬态过程引起的。在进行快速的生产测试时，在稳定状态下进行精确DC测量的能力，是与尽可能快地完成测试的需求相互牵制的。测试周期的时间长短是
由源/测量以及开关操作组成的，而这一周期时间可以有非常大的变化范围。比如，如果2400被设置成用最短的测试时间间隔(aperture)完成操作，即0.01 NPLC，那么源/测量过程就可以在1ms内完成。如果把积分(integration)周期或测量时间增加到1.0 NPLC，那么测量时间就增加到大约17ms。用牺牲测试速度来增加测试时间间隔的好处是，可以得到极优的噪声抑制，也就是在比较“安静”的状态下进行测试。
为了得到稳定和可重复的测量，关键一点是被测参数在源/测量期间达到和保持在一个稳定值上。这个概念对于OLED测试是特别重要的。OLED的电与光的特性是与时间有关的，而且呈现出滞后效应1,2。与比较熟悉的基于半导体的光电发射器相
比，OLED的电特性则非常之不同。由于这个原因，我们在试图设计和实现一个自动化测试系统之前，必须对测试参数的瞬态行为有一个完整的理解。瞬态过程的特性也有助于测试协议的开发，并可简化测试数据的分析，以及增进对测试系统的可信度。信号源延迟时间，也就是，从把信号加到OLED至测量开始之间的这一可变的时间延迟，也许可以用来降低瞬态效应。
图8表示了在测试系统被设置为NPLC = 10以及信号源延迟从0.0005变化到10秒的条件下，对四像素同时测试时的每个像素的漏电流。为了达到小于1nA的稳态漏电流，就至少需要数秒的时间。
测试系统的测试性能取决于测试仪器的基本精度、以及由系统中其他元件引起的误差源。电缆和开关卡的漏电流是电流测量的一个误差源。对于测试夹具和电缆连线，这一误差会随着被测电流值的降低而增加。选择正确的扫描卡，也就是
说，扫描卡的额定漏电流至少要比最小的被测电流低一个数量级，该指标非常关键。对于设计成用2400进行10-8A测量的测试系统，无需保护电路。
采用两线感出结构的电压测量误差，是由扫描卡上使用的继电器的“导通”电阻以及电缆的电阻压降损耗产生的。7015-C卡上的两个继电器合起来，将对信号通路产生 < 300Ω的电阻。对于小于50μA的电流测量，包含典型的电阻压降损耗在
内的电压误差将是很小的，其典型值为 < 15μV。对于较大的电流测量，比如当显示器的一整列被激励时，误差将正比于OLED的电流。这一数值也许可以用Verror = 2 * (Rrelay)×IOLED(s)来计算。那些要求电压测量精度非常高的应用，也就是，电压测量不受DUT电流的影响，则需要一种四线测试结构。
7158型和7058型扫描卡上的机械继电器有一个大约等于或小于1Ω的接触电阻，由此引起的电压误差是可以忽略的，即使在大电流时也如此。对于这一应用，由下述扫描卡的接触电势所引起的误差也许也可看作是可忽略的；这些扫描卡的接触
电势是：7015-C为 < 5mV，7058和7158分别为 < 250μV和 <200μV。
测试系统的测试性能
我们曾对采用四个2400的测试系统的测试速度、小电流和小电压测量精度，在一系列不同的测量时间间隔条件下（即不同的NPLC设定参数）进行过特征化测试。NPLC参数与测试时间间
隔有如下关系式
测试时间间隔（秒）= 1/60（NPLC参数）
图9表示了2400型源表NPLC值从0.01到1.0时，在10-2A、10-3A、10-4A、10-5A和10-6A量程内的低电流测量性能。测试电流的大小接近每个量程的值，而每个测量点则代表100次测量的标准差。测试结果表明，对于每一个很短的积分(integra?tion)时间，即 < 0.1 NPLC，在10-2A、10-3A和10-4A量程下，电流测量的标准差小于满量程的0.005%，而在10-5A和10-6A量程下小于0.08%。在10-5A和10-6A量程下以高测试速度测量时，±3σ的测试可重复性达到了< 2nA。图10表示了一个以四个2400构建的测试系统的测试吞吐率的测量结果（该结果表示为NPLC设定值的函数）。
图8：四像素测试时每个像素的反向偏置电流，其中源/测量时间延迟从 0.0005变化到10秒，使用6V偏压。 图9：2400源表的电流测量值的标准差与NPLC的关系曲线，其中的测试量程为 10-2A、10-3A、10-4A、10-5A和10-6A。
当用于单个像素的开路、短路测量时，2400被配置成一个电流源，然后进行电压测量。PC机通过电流源输出值和电压测量值计算出电阻。这一技术直接使用了2400进行电阻测量，从而缩短了与电阻测量有关的测量时间。测量精度接近或小于0.2%
，而这一性能水平对于“合格或不合格”的测试是足够了。它的测试吞吐率为漏电流测试速度的百分之几。
在对电缆、扫描卡和夹具的设计中使用保护，可大大降低漏电流，而且能够为基于6517A型静电计和7158、7058型扫描卡的系统，实现低电流的测量提供支持。加保护的信号通路缩短了与低电流测量所需的较长稳定时间，这进而又缩短了测试时
间。即使采用了保护电路，6517A的测量速度仍比不上2400，所以它的吞吐率将会低一些。
可以采用四个6517A和低电流扫描卡组成的系统进行一次性能研究，但由于测试夹具和电缆走线对测试系统有很大的影响而使此项研究未能实现。这些部件通常是客户提供的，而漏电流的大小可以有非常大的变化范围，这就影响到了低电流性能
和测试稳定时间。

显示器的测试结果
为了说明实现这一测试方案所达到的结果，我们用四个源表的测试系统对一个48×64的OLED显示器进行了正向电流、电阻和反向偏置的测量。测量速度被设定为1个NPLC（即，积分时间 = 16.7毫秒），并有1秒的信号源延迟。该延迟可以保证在测试开始前信号达到稳定状态。图11给出了对一个认为有缺陷的显示器的像素电阻的测试结果。测试数据表明几乎所有的像素都有相对很高的“导通”电阻，即 > 100kΩ。其中的两个像素有非常低的电阻，一个位于第3行第60列，测得的电
阻约为1kΩ；另一个位于第4行第37列，测得的电阻在1kΩ与100kΩ之间。实际的动态电阻可以计算为 Rd = Vpixel / Ipixel
式中的Vpixel和Ipixel分别是像素的电压和电流。在2V偏压下，典型的像素电流大约为20nA，这相当于一个108Ω的动态电阻。因此，这两个动态电阻位于1kΩ与100kΩ之间的像素看来是有缺陷的。
图12示出了另一个显示器的正向电流损耗与像素之间的关系，其中的Vbias = 6V。几乎所有的像素都表现出大约11-13μA的正向电流损耗。对2400型源表设定了1mA的正向电流限值(compliance)或保护电流值，以防止对显示器流过太大的电流
而造成损坏。
为了对测试系统中每一个信号通路的漏电流的残余测量误差进行测量，就需要把一块尺寸与OLED显示器一样的玻璃片插入测试夹具内。然后在施加Vbias = -6V的偏压后作一次扫描。图13给出了这个扫描的结果。在任何一个像素位置上的电缆、继电器和测试夹具的漏电流总和均小于80pA。在这些测试中，还考虑到了每个2400的“零点误差”；所谓“零点误差”
是指在0V偏压下的电流偏离值。
图10：采用四个2400的OLED特征化系统的测试吞吐率 图11：电阻与像素的关系图，所加的偏压为Vbias = 2V 图12：电流消耗与像素的关系图，所加的偏压为Vbias = 6V
图14给出了在Vreverse = 6V下的反偏测量的结果。对于这个测试，由于考虑到了图9中所示的时间效应对于反偏漏电流的影响，我们把积分时间设置为10 NPLC，把信号源延迟时间设置为15秒。

设备清单
707B六槽半导体开关矩阵，具有高达 576 个相交点
四个2400系列源表
2361型触发控制器
五条8503型DIN至BNC的触发电缆
六条GPIB电缆
7015-C型固态继电器1×40多路复用开关（每80显示列用1卡，每40显示行用1卡）
7011-MTC-2型多端子电缆集线器(mass terminated cable assemblies)（每个7015-C卡用一个）
7011-MTR型 96针DIN公头（每个7011-MTC-2用一个）