｜晶圓級LED全光通量檢測技術

摘要：為了提升晶圓階段LED特性檢測速率，同時平行檢測電特性及光特性是必要手段。非成像的集光器陣列可用來同時收集晶圓上多顆LED的光學特性。為了能夠匹配光纖數值孔徑（NA）以及來自LED之朗伯光源發散半角，在本研究中討論反式角度轉換器（reversed angle transformer, RAT）之設計使用。並利用商用光學模擬軟體LightTools®，根據Monte-Carlo光線追跡方法進行模擬設計。藉由模擬幫助，可以發現入口處可收集接近94 %的朗伯輻射光源能量，反式角度轉換器的收集比例接近99 %。

Abstract: To raise the speed of characterizing wafer-level LEDs, simultaneous measurement of both electrical and optical properties is a necessity. A non-imaging concentrator array is designed to concentrate as much light as possible from LEDs for optical characterization of multiple points on the wafer. For the sake of meeting the requirements between the numerical aperture of the sensing fiber and the emitting half-cone angle from a Lambertian source, a reversed angle transformer (RAT) is used in this study. Simulation is conducted using the commercial software LightTools®, based on the Monte Carlo ray-tracing method. According to the simulation, the entrance port can collect approximately 94 % of the radiance from a Lambertian source, and the concentration ratio of RAT is approximately 99 %. Finally a design prototype is demonstrated in this study to validate the design.

關鍵詞：複合式拋物面鏡收集器、角度反轉器、非成像集光器

Keywords：Compound parabolic collector, Reversed angle transformer, Non-imaging concentrator

前言
LED被認為是下個世代最重要且最有希望的固態光源，由於擁有比日光燈及白熾燈光源更多的優點，包含發光效率、使用壽命、色度表現、信賴度及以及環保議題[1]。在LED工業裡用來做信賴度測試的項目通常為I-V電性曲線以及光通量量測。為了提升晶圓階段LED檢測的速率，光學及電性平行量測是必要的[2]。

在晶圓階段，同時多點LED電性量測可利用探針卡及電源量測單元（SMU)，配合程序性控制實現多通道檢測。在光學特性量測方面像是光通量檢測，目前常見的量測方法為配光曲線儀（Goniophotometer)與積分球兩種方式。而積分球為較普遍採用之方法，有別於配光曲線儀可大幅縮小量測時間，且價格也較為便宜。積分球架構主要為一中空球殼，內壁均勻塗佈高漫射反射層（反射率需大於95 %以上)，光線在內部多次漫反射而達照度均勻。因此，只要量測輝度並對內部球面積分即可得光通量。

然而，典型積分球物理尺寸過大，在探針卡之限制下現有之積分球體積也無法以陣列化方式擺設，加上由於集光元件與待測物之間需保留置放探針卡之空間（d)，以及考慮集光元件光通量之收光角度要求（θ)，如圖1所示，因此在集光元件收光口端發現部分能量由於開口大小限制無法進入積分球內，而絕大部分能量會從出口端漏出，僅有少部分能被偵測器所接收。
然而減少積分球物理尺寸後，積分球開口無法維持相同收光比例，若硬要維持相同收光比例將影響到量測的不確定度，一般而言，積分球開口率大於4 %以上，誤差會大幅提升[3,4]。