探針臺
Probe Stations
一、直接探測法的問題（為什么“需要”積分球）
想象一下把一個探測器（如光電二極管）直接放在一個LED前面來測量光功率：
1、角度依賴性問題 (Angular Dependence)
（1）LED的光強分布通常遵循朗伯分布（Lambertian Distribution），即正前方最亮，偏離中心角度越遠，光強越弱。
（2）探測器測得的數值高度依賴于它相對于LED的角度和距離。偏移一點點，讀數就會變化巨大。
問： 那你把它對準正中心不就行了？
答： 即使對準正中心，你也只能得到一個點的數據，無法代表整個發光空間的總能量。總光通量是所有方向光強的積分，一個點的數據無法計算總和。
2、距離依賴性問題 (Distance Dependence)
（1）根據平方反比定律，光照度與距離的平方成反比。
（2）探測器稍微前后移動一點，讀數就會劇烈變化。你無法確定一個絕對的“標準測量距離”。
3、空間分布變化問題 (Changing Spatial Distribution)
（1）LED在不同驅動電流下，其發光點的空間分布可能微變。
（2）激光二極管（LD）的發光模式在不同電流下會發生劇烈變化，特別是在閾值電流附近。
（3）直接探測法完全無法捕捉這種空間分布的變化，會導致光功率測量嚴重失準。
二、積分球的解決方案（積分球的優勢）
積分球反射示意圖
積分球通過其獨特的設計，一勞永逸地解決了以上所有問題：
1、空間均勻化 (Spatial Integration)
（1）光進入積分球后，經過內壁漫反射材料的無數次反射，光能均勻地分布在整個球體內。
（2）結果： 無論光源原來的發光角度如何、是否均勻，在球內部都變成了一個均勻發光的“光暈”。探測器放在球壁任何一點（在擋板保護下），測量到的值都只與總光通量有關，而與光的原始空間分布無關。
2、比例測量，結果絕對 (Ratio Metric Measurement)
（1）探測器只測量均勻光場中的一小部分樣本光。
（2）由于光場是均勻的，樣本光與總光通量之間存在一個固定的比例關系（由球的尺寸、涂層反射率等決定）。
（3）通過用標準校準燈對這個系統進行校準，就能建立探測器讀數和絕對光功率（瓦特W或流明lm）之間的精確數學關系。
（4）結果： 測量結果是絕對的、可追溯的光功率值，而不僅僅是一個相對的電壓或電流信號。
3、捕捉真實總光通量 (True Total Flux Measurement)
（1）積分球收集的是光源發出的所有方向的光（4π立體角）。
（2）它測量的是器件的總光通量（Luminous Flux） 或總輻射通量（Radiant Flux），這是評價一個光源光學性能的最核心、最真實的參數。
三、為什么LIV測試尤其需要積分球？
在LIV測試中，我們掃描的是電流（I），同時測量電壓（V） 和光功率（L）。
（1）對于電壓（V）：它基本與測量方式無關，直接通過探針就能準確獲取。
（2）對于光功率（L）：正如上文所述，它的準確測量極度依賴于能否捕獲所有方向的光并消除空間分布的影響。
只有在積分球的幫助下，我們得到的L-I曲線（電光轉換效率曲線）才是真實、可靠、可重復的。 我們才能準確讀出：
（1）激光器（LD）的閾值電流（Ith）
（2）LED和LD的斜率效率（Slope Efficiency）
（3）器件的飽和特性
（4）在不同電流下的絕對光輸出功率
四、在探針臺搭配積分球LIv測試
在標準探針臺LIV測試中，光功率探頭（通常是一個硅光電二極管）直接放置在芯片正上方收集光。這種方法存在幾個主要問題，導致測量不準確，尤其是對于LED和VCSEL：
（1）方向性問題：許多光電芯片（特別是LED）發出的光不是平行的，而是有很寬的發散角。直接放置的探測器只能收集到很小一部分立體角內的光，會嚴重低估總光通量。
（2）空間不均勻性：探測器的響應度在其感光面上可能不是完全均勻的。如果芯片位置稍有偏移，測量結果就會變化，重復性差。
（3）光譜依賴性：簡單探測器的響應度會隨波長變化。如果芯片的光譜在不同電流下有所變化（如峰值波長漂移），會導致功率測量誤差。
1、積分球（Integrating Sphere）如何解決這些問題？
積分球是一個內壁涂有高漫反射材料（如BaSO?或PTFE）的空心球體。其基本原理是：
（1）光在球內被多次漫反射，使得球內壁上的光照度變得非常均勻。
（2）在球壁上開一個孔放置探測器，探測器測量的是整個球內壁的均勻照度，而這個照度與進入積分球的總光通量成正比。
（3）這樣一來，無論光源的發光角度、形狀或位置如何，只要所有光都進入球內，探測器測到的信號就只與總光通量有關，從而實現了對總光通量（或總光功率） 的精確、可靠的測量。
2、系統構成：探針臺 + 積分球 LIV測試系統
整個系統在標準探針臺LIV系統的基礎上，核心是將積分球集成到探針臺中。
組件功能描述：
A、 探針臺主體：提供精密的XYZ移動平臺，用于固定和移動晶圓。
B、 顯微鏡系統：用于觀察和初步定位。由于積分球可能會遮擋視野，通常需要高精度的機械設計或側視鏡頭。
C、 精密探針與探針臂：用于給芯片施加電流和測量電壓。
D、 源測量單元（SMU）：提供掃描電流并同步測量電壓和光功率信號（來自積分球后的探測器）。
E、 積分球組件（核心）：
（1）功率探測器：安裝在積分球的一個端口上，通常是經過校準的硅光電二極管或InGaAs探測器（根據波長選擇），來測量分析光功率。
（2）光譜儀光纖接口：光譜儀將光纖傳來的光進行色散（分光），投射到CCD/CMOS探測器陣列上，得到每個波長對應的光強信號，即相對光譜功率分布。再結合標準燈校準得到的系統光譜響應函數，計算出絕對光譜功率分布（Absolute SPD）
（3）擋板（Baffle）：安裝在球內，防止光源的直接光首次反射就進入探測器，確保測量的準確性。
F、 溫控系統：高精度測試需要控制芯片溫度（通過溫控Chuck）。
G、 自動化軟件：控制系統，采集I、V、L數據，并分析提取參數。
系統組成測試原理圖
實拍探針臺 + 積分球 LIV測試系統示意圖
積分球接收反饋示意圖
3、測試流程（以大功率LED晶圓測試為例）
（1）晶圓裝載與對準：
A、將晶圓真空吸附在Chuck上。
B、通過軟件和顯微鏡，將第一個Die移動到預定的測試位置。
C、操縱探針，使其精確地扎在芯片的電極Pad上。
（2）積分球定位：
A、使用精密的機械臂，將積分球的底部開口精準地移動到待測芯片的正上方，然后緩緩下降，使積分球輕扣在晶圓表面，形成一個密閉的光學腔體。這樣可以確保芯片發出的幾乎所有光都被收集到積分球內。
（3）設置測試參數：
A、在軟件中設置電流掃描范圍（如0-100mA）、步長、compliance電壓等。
（4）執行測試與數據采集：
A、啟動測試。SMU輸出掃描電流（I）。
B、對于每一個電流點，SMU同步測量芯片兩端的電壓（V）。
C、積分球內的探測器將接收到的光信號轉換為電信號，發送給SMU或專門的功率計，被記錄為光功率數據（L）。
（5）數據分析：
A、軟件實時繪制L-I-V曲線。
B、提取關鍵參數：
a）光功率（LOP）：在特定電流下的總光輸出功率（例如在20mA下的光功率），這是積分球提供的最核心、最準確的數據。
b）發光效率（WPE， Wall-Plug Efficiency）：計算公式為 (光輸出功率 / 電輸入功率) * 100%。電輸入功率 = I * V。積分球提供了準確的分子，SMU提供了準確的分母。
c）正向電壓（Vf）：在特定電流下的電壓值。
d）閾值電流（Ith，對激光器而言）：L-I曲線的拐點。
（6）移動與重復：
A、測試完成后，積分球和探針抬起，Chuck移動至下一個Die，重復整個過程。
探針臺示意圖
源測量單元（SMU）示意圖
光譜儀示意圖
LIV測試積分球示意圖
