Укрупненный технологический маршрут сборки светодиодов

Анализируя различные варианты технологических процессов производства светодиодов, можно прийти к выводу, что определенные операции (монтаж кристаллов, разделение групповых заготовок, герметизация) выполняются при любых конструктивных особенностях продукта, что позволяет применять типовой укрупненный технологический маршрут сборки светодиодов (см. рис. 8).

Операция монтажа кристаллов является критичной для сборки светодиодов. Как правило, монтаж производится на тепло- и токопроводящий клей с последующим отверждением. Затем выполняется визуальный контроль и механический контроль кристаллов на сдвиг. Наиболее технологичным является монтаж перевернутых кристаллов (flip-chip), позволяющий избавиться от операции разварки проволочных выводов. При крупносерийном и массовом производстве кристаллы в виде разрезанных и скрайбированных пластин на липком носителе поступают в кассетах непосредственно на автомат монтажа (см. рис. 9), который получает карту годных кристаллов с участка входного контроля.

Разварка выводов производится при упаковке в корпус кристалла в планарном исполнении. Стандартным методом для разварки выводов светодиодов является метод «шарик-клин» с предварительной установкой шариков под вторую сварку.

Для производства светодиодных светильников используются светодиодные кристаллы высокой мощности, как правило, изготовленные на основе GaN-структур на сапфировых подложках. Свет, испускаемый такими кристаллами, находится в области синего участка спектра, поэтому для получения белого цвета на кристалл наносится слой люминофора. Люминофор может быть как пленочным, предварительно нанесенным на пластину, так и в виде компаунда, в котором основой является оптически прозрачный силиконовый компаунд, а люминофор добавляется в смесь в виде порошка. Люминофорный компаунд полимеризуется в печи, затем формируется линза, либо полость корпуса заливается силиконовым компаундом, аналогичным тому, из которого была приготовлена люминофорная смесь.

Готовые светодиоды отправляют на тестирование и сортируют, после чего они поступают на участок поверхностного монтажа, где светодиоды и элементы схемы управления и электропитания устанавливаются и паяются на плату. Собранная плата устанавливается в светильник, после чего светильники проходят финальные испытания и направляются на склад готовой продукции.

Рис. 9. Автомат монтажа кристаллов и компонентов Datacon 2200 evo

Некоторые способы повышения эффективности светодиодного модуля

Несмотря на непрерывный прогресс светодиодной тематики, потенциал увеличения плотности светового потока для светодиодов все еще остается достаточно высоким. До 95% электронов, проходящих через светодиод, выбивают из возбужденных атомов фотоны, однако кристалл сам по себе является эффективной ловушкой для фотонов и большая часть генерируемого света отражается от внутренних поверхностей кристалла, поглощаясь ими и превращаясь в тепло. Из-за этого явления только порядка 15% света выходит из светодиодной сборки и поэтому так необходимо разрабатывать и применять различные методики увеличения эффективности светодиодов.

Повышение качества ростовых подложек

Качество эпитаксиальных GaN-гетероструктур в большой мере зависит от свойств кристаллической решетки ростовой подложки. В качестве подложек для производства GaN-светодиодов применяются такие материалы как карбид кремния, сапфир, кремний и др. Известно, что чем лучше совпадают кристаллические решетки подложки и выращиваемой GaN-структуры, тем выше качество общей структуры, а, следовательно, и производительность светодиода.

Несомненно, GaN-подложки, с точки зрения качества, наилучшим образом подходят для роста гетероструктур, однако высокая стоимость и ограниченные размеры не позволяют использовать нитрид-галлиевые подложки для крупносерийного производства. Аналогичное правило работает для подложек из нитрида алюминия, чья кристаллическая решетка отличается от решетки нитрида галлия не более чем на 2%.

Использование сапфира в качестве материала ростовых подложек для производства светодиодов высокой яркости заставляет мириться с разницей кристаллических решеток порядка 16%, что приводит к повышенной плотности дислокаций, уменьшающих внутреннюю квантовую эффективность и производительность светодиода.

В качестве решения этой проблемы компания EV Group (Австрия) предлагает два метода:

– структурированных сапфировых подложек.

Метод ростовых шаблонов (Grown Templates) предусматривает перенос тонкого затравочного слоя для эпитаксиального роста на пластину-носитель. Пластина-носитель выбирается путем подбора механических и термических свойств, наилучшим образом подходящих для роста требуемой структуры, а технология прямого монтажа пластин открывает возможности по гетерогенной интеграции двух материалов, различие в структурных решетках которых изначально достаточно велико.

Метод структурированных сапфировых подложек (Patterned Saphire Substrates, PSS) используется для улучшения качества GaN-структур с пониженной плотностью дефектов. Внутренняя квантовая эффективность светодиода напрямую зависит от структурного качества эпитаксиальной гетероструктуры. Микро- и наноструктуры повышают как общее качество гетероструктур, так и КПД сверхъяркого светодиода.

Для формирования PSS-структур используются два способа: плазменное и жидкостное химическое травление. В случае плазменного травления фоторезистивная маска формируется на поверхности сапфировой подложки перед отправкой подложки в травильную установку. В случае жидкостного химического травления на поверхности сапфира предварительно формируется твердая оксидная пленка, т.к. фоторезист недостаточно стоек к жидкостным химическим процессам (см. рис. 10).

Формирование структур на фоторезисте может, в частности, осуществляться посредством наноимпринтной литографии.

Применение плазменной обработки для повышения качества операций сборки

Достаточно широко в качестве дополнительной операции, улучшающей качество светодиодных микросборок (а, следовательно, и эффективности светодиода), используется плазменная обработка, позволяющая модифицировать поверхность выводной рамки и кристалла с целью очистки или активации поверхности (см. табл. 2). Плазменная обработка применяется перед нанесением клея и/или силиконового компаунда, герметизацией, разваркой выводов для очистки и обезжиривания поверхности, создания гидрофильного или гидрофобного эффекта. Для повышения качества операций сборки чаще всего используется ВЧ-плазма на основе аргона и кислорода. В условиях запуска производства, а также отработки технологии изготовления новых изделий, плазменная обработка позволяет ускорить сроки переналадки за счет расширения границ окна допустимых технологических параметров. Другими словами, повышая качество микросборок с помощью плазменной обработки, можно на первых этапах нивелировать негативный эффект от некоторых неоптимально заданных параметров техпроцесса, а также справиться с недостаточным качеством материалов.

Таблица 2. Области применения плазменной обработки при сборке светодиодов

Источник

Альтернативная энергия Альтернативная энергетика, возобновляемые источники энергии, энергетические ресурсы планеты.

Проблемы надежности светодиодов

Одна из причин деградации кристалла светодиода является рост дефектости кристаллической решетки. Причём области кристалла, где появляются дефекты, продолжают потреблять энергию и генерировать тепло без излучения.

Другой причиной деградации является электрическая миграция в кристалл материалов, из которых сделаны электроды. В кристалл проникают атомы металлов, из которых сделаны электроды, и нарушают кристаллическую структуру, образуя каналы утечки, в результате чего многократно возрастает ток утечки. Значительная часть тока начинает проходить через металлические включения кристалла, которые не излучают свет. В результате уменьшается напряжение на электродах светодиода и уменьшается световой поток.

Этот процесс протекает гораздо быстрее при высоких рабочих температурах и работе светодиодов на токах, превышающих номинальные значения. Зависимость показателей деградации кристаллов от выбранного значения рабочего тока представлена на рисунке 1.

Некоторые производители специально повышают рабочий ток светодиода («разгоняют») для получения большей яркости, но при этом не обеспечивают должный отвод тепла. Как следствие, срок службы кристалла значительно сокращается. Например, зачастую азиатские производители в светодиодные световые приборы устанавливают кристаллы, предназначенные для подсветки экранов мобильных телефонов, рассчитанные на ток 3-5мА, а устанавливают рабочий ток 20 мА. Такие световые приборы отрабатывают не более 2000 часов. Видимо, такой подход очень не дорог и весьма практичен, что позволяет быстро одержать победу в недобросовестной конкуренции. По мнению некоторых специалистов, к возникновению дефектов в кристаллической решетке может привести действие статического электричества.

Деградация люминофора является основной причиной снижения светового потока светодиодов. Большинство люминофоров постепенно теряют свою эффективность, что может быть связанно как с изменением валентности активаторов за счёт окисления, так и деградацией кристаллической решётки, когда атомы диффундируют через материал и химически реагируют с окружающей средой. Эти процессы протекают из-за большой удельной лучистой нагрузки и высоких температур, так как люминофор наносится непосредственно на кристалл, который нагревается и имеет большую плотность излучения. Высокая температура люминофора может быть причиной безызлучательных переходов и обратимого снижения квантового выхода люминесценции и светового потока светодиода. Совместное воздействие высокой удельной нагрузки оптического излучения и высокой температуры способны спровоцировать кооперативные процессы, приводящие к перестройке структуры излучающих центров и явиться причиной необратимого снижения квантового выхода люминесценции и старения светодиода. В результате деградации происходит не только снижение квантового выхода люминофора, но и изменение спектральных характеристик его свечения. Например, при старении люминофора заметно проявляется синий оттенок свечения светодиода, что связано как с изменением свойств самого люминофора, так и с тем, что в спектре начинает доминировать собственное излучение кристалла.

В связи с тем, что для определения фотостойкости светодиодных люминофоров не разработаны методы и ГОСТы контроля, целесообразно применять методику оценки показателей долговечности люминофоров люминесцентных ламп, рекомендуемую ГОСТ 6825-91. Согласно этой методики, качество люминофорных покрытий определяется по данным стендовых испытаний контрольных ламп, изготовленных из текущих партий люминофоров. Лампы испытывают в номинальном режиме эксплуатации в течении не менее 100 часов, производя измерения светового потока ламп. По данным измерений строят график спада светового потока, экстраполируя данные на весь срок службы, и определяют качество люминофорных покрытий. Низкая производительность, большие материальные и энергетические затраты этой методики обусловливают актуальность разработки ускоренного способа контроля. Светотехническое производство нуждается в способах и средствах оперативного текущего контроля люминофоров на любой стадии изготовления источников света: от входного контроля поступающих в производство партий люминофора до промежуточных, на любой стадии изготовления, создающих предпосылки совершенствования технологии и повышения качества источников света и самих люминофоров.

Деградация первичной оптики.

Первичная оптика светодиодов чаще всего изготавливается из пластмассы или силикона. В светодиодах белого свечения, построенных на базе ультрафиолетовых светодиодов, покрытых трехцветным люминофором, помутнение этих материалов может быть обусловлено действием большой удельной лучистой нагрузки и высоких температур, поэтому предложенную нами методику можно перенести на контроль деградации оптических материалов.

Длительное воздействие оптического излучения кристалла большой удельной нагрузки на органические и неорганические материалы сопровождается снижением прозрачности оптических элементов конструкции светодиодов, что, в конечном счете, приводит к снижению световой эффективности и световой отдачи светодиодных изделий.

Источник

• ← какие технические принципы обеспечения безопасности использованы в компьютере
• какие технические профессии будут востребованы в будущем →