在确定平板显示器(FPD)中有源元件的特性时，虽然其测试方法与其他半导体集成电路类似，但是为了使LCD、OLED和LEP应用之生产能力和准确度最佳化，需要对参数测试系统、布线和工艺进行重大改进。

不断演变的FPD趋势

目前，平板显示器(FPD)制造商正在新技术方面投入巨资，以满足不断增长的应用。这些应用包括高成本和低成本的膝上型电脑监视器、用于手机和其他便携式设备的小面积/低功耗面板、用于家用电视的高清电视（HDTV）屏和宽显示屏，以及军事领域的高可靠日光读取型显示屏等。显示技术包括从非晶低温多晶硅(LTPS)LCD面板，到新兴的有机LED以及其他产品。这些新技术将会带来高附加值的产品，但是他们也会显著增加OEM厂商在新工具和新工艺方面的投资，以便缩短产品面市时间，取得理想的产量。所有这些均需要更高效的测试方案，并且应该在R&D和生产阶段就采用具有更高数据吞吐量和准确性的仪器和系统。

由于显示器测量采用了类似于传统CMOS和双极性硅圆晶领域常见的探针和参数测试仪，该市场已经成为Keithley自然涉足领域之一。多年以来，Keithley已经为CMOS和双极性IC代工厂，以及有源点阵液晶二极管（AMLCD）显示器领域的关键制造商提供了半导体特性分析系统和参数测试仪器。其中，这些AMLCD制造客户大部分位於亚洲。事实上，有源点阵FPD方面的测量和测试技术与其他半导体测试技术在本质上是一致的。但是，我们也发现了一些明显的差异之处，这就需要通过全新的技术去测试和测量。

在原型设计和生产设备方面，显示器OEM厂商和半导体代工厂采用了明显不同的测试型式。一般来说，在显示器测试中，由于探针外形比较大，同传统半导体晶圆测试相比，相关仪器离待测装置(DUT)更远。这样一来，长距离测量必将导致布线长度方面的问题，如比较大的寄生电容和噪声这样的长度问题, 并可能降低敏感度，增加测量持续时间，而且会降低产量——这正好与我们的期望相反。为了避免这些问题，在测试新型显示器时，常常需要对测量工艺和测试设备进行一些必要的创新和修正。

非晶硅LCD的测试

从手机到PDA、笔记本电脑和台式电脑监视器，以及大多数电视应用领域，用于AMLCD的传统技术——非晶矽(a-si)依然占有主导性市场份额。这是由于其技术不断完善和具有较低成本优势，虽然a-si薄膜晶体管（TFT）器件速度慢、体积大，并且比新型LTPS LCD需要更大的外部电流。在目前的第五代和第六代产品中，人们普遍采用a-si基体技术来制造更大面积的显示器，制造商们甚至于通过批量生产和提高产量的方法，正在努力地降低生产成本。

由于成本是一个占主导地位的考虑因素，制造测试时间必须控制到最小。一般情况下，在生产环境中通常只进行一些关键性能测量，其中包括：
• Id-Vg曲线扫除，带有上/下磁滞曲线
•电压阈值Vth
• 正向(on)电流
• 漏(off)电流IL
• 开关(响应)时间
• 接触链路的电阻和电容

这些测量借助于几个测试单元组合（TEG），在LCD面板的外侧边沿附近进行。有时，也对个别的工作像素进行测量，以检查一致性，而且铟/锡氧化物(ITO)导电层可进行现场检查。

在FPD中，用以分析有源元件特性的典型系统包括DC源表(SourceMeter)、一个开关矩阵(允许通过一套测试仪器，对多个待测器件进行测试)、一个探针台，以及用以连接各种单元的布线。由於玻璃基体面板的尺寸很大，FPD生产设备也趋向相当大的外形，而且采用高度自动化控制，其中包括用于与LCD TEG和工作像素进行连接的相关探针台。这就使采集类测量仪器变得复杂，复杂度几乎接近信号源。要将探针卡和仪器测试头连接起来，大家会很自然地采用电缆，但是这个普通的解决方案却会造成其他测量问题。

要对LCD TFT进行参数描述，一般需要在断开状态，对漏电流进行敏感度相当高的测量。如果电压阈值和次阈值(漏)电流太高，就会产生鬼影（image ghosting），因此IL一定要在几fA（10-15A）的水平下测量。如同其他的低电流现象一样，门极漏电流对器件的性能来说也十分重要。

通常，在配置一个FPD特性分析系统的时候，观察者倾向于将精力集中于DC参数仪器方面，而疏忽系统的其他配置，如布线、探针卡等。事实上，系统的这部分配置很可能就是噪声的根源，因为如果电缆质量差或屏蔽性不好，开关系统较大的漏电流通常会直接出现在信号链路中。

对于超低电流测量来说，采用一台紧密集成的参数分析系统是相当重要的，其中不但包括测定仪器，而且还有测试夹具、探针台、开关系统、连接、布线、接地，以及屏蔽等，因此要求测试工程师站在系统层面观察问题。即使对于一个适当配置的系统来说，以下问题也会影响测量噪声、准确性和生产率:
• 布线及其产生的寄生电容和分路阻抗
• 接地/屏蔽/指导方针
• 开关矩阵的偏移量和漏电流
• 探针卡和测试头的设计
• 仪器噪声和解决时间
• 环境电气噪声的水平和类型
• TEG装置及其相关的测试策略

用独特的解决方案解决独特的测试问题

为了将由上述问题所导致的错误、噪声和测试时间降低到最小，必须采用有效的测量测试技术。通常，这需要采用独特的测量方案，来解决特别的器件、材料和设备方面的独特问题。凭借30多年的半导体、LCD和无源器件测试经验，Keithley开发了一套创新方案，用以从导电层和绝缘氧化物，到完整的多单元显示器（multi-element displays）之间的所有测试。例如，Keithley公司型号为4200-SCS的半导体特性分析系统提供为LCD器件测试提供了一个低噪声平台。4200-SCS采用模块化设计，带有本机或遥远前置放大器，以及灵活的图形化用户界面（GUI）软件环境，允许用户通过定制满足典型的FPD制造测试。

通常，当DUT信号非常小(也就是，信号噪音比很小) 的时候，系统噪音对测量数据的完整性影响最大。因为要独立地对信号进行放大，而不放大与其相伴随的噪声的话，那是很困难的。很明显，在FPD测试中，影响低电平测量准确性的关键是如何提高信噪比。

4200-SCS的噪声标称值只有大约0.2%，这意谓着在最低电流范围内峰-峰值噪声只有几个fA（10-15A）。通过适当的信号平均处理，还可以进一步降低噪声。如果因此引起测试产量方面的问题，其远程低噪声前置放大选项允许将测量降低到次fA水平。

为了获得如此的敏感度水平，前置放大器一般固定在探针上。采用这个布局后，在放大之前信号路径只有很短距离(仅仅相当于探针的长度)。然后，被放大的信号流经电缆和开关矩阵，进入测量硬件内部。

通过缩短电缆长度使测量调整时间大大减少，这种布局对提高测试产量具有明显的好处，同时，也大大降低了寄生电容。借助于Keithley的全线矩阵开关系统，还可以进一步提高测试产量，因为该产品允许将多个DUT同时连接到测试系统上。Keithley的低漏电流矩阵开关卡是特别为超低电流测量而设计的。

低温多晶硅的测试

以前的多晶硅（p-si）要求的沉积温度高，对基于玻璃的LCD制造来说是不现实的。然而，今天的LTPS技术已经克服了很多诸如此类的制造问题，并且其固有的高速度还为显示器提供了看得见的好处。基于玻璃的p-si的另外一个优势在于，其驱动器芯片也可以采用同样的工艺进行生产，从而节省了空间，提高了可靠性。随着用于低温环境的新型低成本制造方法的开发，p-si显示技术将会继续获得多元化应用，取得一定市场占有率。他们将很快发展成智能型、高附加价显示器，除了门阵列驱动器外，最终也会将存储器和CPU集成在里面。同当代a-si或p-si技术相比，这些“基于玻璃的系统（System On Glass）”类型的FPD需要的电力比较少，能产生更明亮的图像，具有更快的反应速度，能提供更高的分辨率，而且需要的外部电路更少。

LTPS显示器需要进行更多的测试，因为他们除了像素TFT外，还带有其他控制器件，而且其应用倾向于视频。这些测试包括驱动器IC测量、带有时钟信号的数码测试，和检查高频操作特性。因此，同传统的a-si产品相比，较高的测试产量显得相当重要。如果p-si有源器件外形非常小，并且在较小电流时的工作效率更高，那么相较a-si器件来说，对他们进行测试时就需要更高的敏感度。

否则，就要对p-si FPD进行类似参数测试，所有测量问题与a-si技术相同。然而，辅助信号源和仪器却使LTPS测试系统单元间的整合成为另一问题，其中包括参数测试仪接口、同步和软件的兼容性。

使敏感度和速度最佳化

当用于视频领域的高速AMLCD于1990年出现的时候，Keithley就开发了一整套高速工序监控系统解决方案，帮助显示器OEM厂商提高生产量和更容易地控制产品质量。由于LTPS允许将驱动器和其他电路集成在一块玻璃上，Keithley的TEG系统增加了脉冲和射频能力，以支持专用高速功能测试。这些功能可与早期用于生产过程的TEG测试系统组合使用，因此避免了昂贵的包装环节，即达到了商业化的纠正和修理要求。

Keithley提供各种不同的测试平台，允许LTPS显示器OEM厂商对测量敏感度和生产量进行优化。当遇到超低电流测量问题时，S400自动化参数测试(APT)系统可通过其完全布线应用程序，提高测试产量。当同时要求超低电平测量和较高的测试产量的时候，为了扩展S400应用中的测量敏感度，4200-SCS通过系统矩阵，连接到四个独立的像素探针卡。采用这种布局，DUT端的电流敏感度可达到1-2fA。当然，也可以采用其他许多硬件对系统进行优化，以满足特殊应用的要求。

有机电致发光FPD器件

有机电致发光(OEL)FPD器件正在快速走向商业化，其中包括有源和无源产品。

目前，人们正在开发各种基于大分子聚合物的发光聚合体(LEP)器件。该技术由英国剑桥大学Burroughes等人发明，目前正在不断向小尺寸和低速度/分辨率领域迈进，如蜂窝电话、数码“墨水和纸张”、织品、问候卡、window/POP广告装置等。

就目前公布的资料，聚合体显示器的优势在于其快速旋转玻璃基体上的功能层的能力，并且在某些情况下，还可以在胶片上印刷图案，因此从理论上讲很容易实现简单、低成本的有源点阵显示器，以及(比较高的成本时)较高清晰度的显示器。其中，后者带有由各种不同的发射器组成细微斑纹，用以显示全色彩图像。

OLED器件基于柯达（Kodak）公司的小分子技术，能兼容大多数半导体工艺，但是其制造过程比LEP复杂得多。然而，他们却是高数据内容和视频宽带显示领域的领先者，如监视器和电视等。在这些应用中，几乎可以确定地说，他们将会推倒基于矽技术的LCD的主导地位，因为目前很多研究机构和新兴公司正在着手这方面的工作。(到目前为止，还没有人能够成功地将无机LED阵列整合到一个新的密度水平——与有源点阵OLED显示器可能达到的密度一样高。)

材料的寿命仍然是限制OEL FPD技术推广应用的一个关键因素，因此研发测试的重点应该集中在对以下项目的评估：材料、工艺，以及器件的光输出量与工作寿命之间的关系。这样的系统目前已经有所需求，因为在即将来临的产品和工艺开发过程中，只要对其进行较小的修正，就可以用来对显示器件的特性进行分析，以检测实施中的工艺，帮助制造商提升产量和质量曲线。

要开发用于OLED应用的这类系统，可以如通过Keithley的仪器级解决方案，如同时具有精密电流和电压测量能力的SourceMeter系列电流源表和电压源表。此外，这些核心层I-V工具可提供系统级兼容性，兼容其他仪器和高密度开关系统，如2000系列DMM、7000系列开关主机架，以及2700系列集成化数据记录仪。这些仪器可组合到多种多样的配置中，以创建手动和自动测试系统，对寿命、I-V、光-电流-电压(LIV)性能进行评估和检测。

与OLED测试有关的问题之一是，这些结构中的电容值比较高。虽然许多必须的测量项目与AMLCD器件相同，但是测试系统和测量方法必须能够在不过分增加测试时间的情况下，处理比较高的电容值。另外，如果OEL FPD的像素是有源发光器件，那么同时在DC和脉冲DC操作环境下对LIV性能进行描述是相当重要的，这就带来了额外的测试复杂性。

演进中的OEL测试系统

面向OLED和LEP领域的研究人员和工艺开发工程师，Keithley通过整合自己在传统半导体和特种激光二极管测试方面的经验，开发了I-V和LIV特性测试仪器和分析系统。为了满足新兴生产系统方面的电气测试需求，Keithley量身定做的仪器和系统平台不但适合先进器件的测量，同时还满足大测试产量和紧密集成的功能性测试系统的要求。

通过优化2400系列和2500 SourceMeter I-V系列以及LIV特性分析系统的能力，并将他们与高密度开关系统组合，Keithley提供范围为数十至数百个通道的测试解决方案。这样，通过与客户密切合作，就可以为原型设计或大量生产系统，创建具有丰富的专有性能和价格范围的排/列I/O。

作者简介：
Charles Cimino and David Rose
Keithley Instruments, Inc.
译文刊登于《无线电技术》，查阅原文，请访问http://www.wxdjs.com。关于FPD测试技术的进一步信息，请参考美国吉时利仪器公司（Keithley Instruments, Inc.）技术白皮书《New Test Realities for Evolving FPD Technologies》，网址为http://www.keithley.com/data?asset=10558。