Процесс изготовления светодиодных светильников

В последнее время возрос интерес к созданию светосигнальных приборов на основе светодиодов с увеличенным световым потоком, что резко повысило спрос на эти изделия. Автоматизация технологического процесса сборки светодиодов должна значительно увеличить скорость сборки и в то же время качество изготавливаемых полупроводниковых приборов.

Прежде чем говорить об особенностях процесса сборки светодиодов, необходимо охарактеризовать данный класс устройств. Светоизлучающий диод (СИД) — полупроводниковый прибор, преобразующий электрическую энергию в энергию оптического излучения на основе явления инжекционной электролюминесценции (в полупроводниковом кристалле с электронно-дырочным переходом, полупроводниковым гетеропереходом либо контактом металл — полупроводник). Наилучшим сочетанием параметров обладают светодиоды на основе гетероструктур, хотя специфика генерации некогерентного излучения позволяет широко использовать и светодиоды на основе однородных полупроводников.

Как правило, светодиод состоит из ножки-корпуса, кристалла, выводов для подведения потенциала к кристаллу и линзы, которой закрывается кристалл.

Повышенный интерес к светодиодам определяется широким применением их на практике. Светодиоды являются неотъемлемой частью новейших технических разработок: информационных панелей, цветных индикаторов, профильных шкал, систем сигнализации, светофоров для регулировки движения и т. д. Применение этих приборов в светосигнальной и радиотехнической аппаратуре позволяет повысить ее надежность и долговечность, вибростойкость и ударопрочность, а также снизить потребление электроэнергии.

Очевидная практическая значимость подобных устройств повышает спрос на светодиоды и, соответственно, увеличение объема их производства. Приведем один простой пример. Для изготовления одного светофора требуется в среднем около 100 шт. свето-диодов, а для одного светового табло — в десятки раз больше. Если учесть, что изготовление светофоров и световых табло носит характер не штучного, а массового производства, становится очевидной необходимость автоматизации производственного процесса светодиода.

Изготовление светодиодов состоит из нескольких этапов. Рассмотрим, какие из данных этапов нуждаются в автоматизации:

  1. Установка кристалла в корпус.
  2. Подсоединение токопроводящих контактов.
  3. Образование линзы.

Автоматизация технологического процесса сборки светодиода должна значительно увеличить скорость сборки и в то же время качество изготавливаемых полупроводниковых приборов.

Для общего представления о степени автоматизации рассмотрим некоторые виды оборудования и варианты применяемых автоматизированных и автоматических систем в производстве микроэлектроники.

  1. Автоматизированное оборудование для основных технологических процессов. Более высокую степень автоматизации в направлении развития будет иметь гибкий производственный модуль (ГПМ). ГПМ — гибкая производственная система, представляющая собой единицу технологического оборудования и оснащенная автоматизированным устройством программного управления и средствами автоматизации технологического процесса, автономно функционирующая, осуществляющая многократные циклы и имеющая возможность встраивания в систему более высокого уровня.
  2. Применение автоматизированных линий и комплектов оборудования для оснащения промышленных участков. Более высокую степень автоматизации в данном направлении развития будет иметь гибкая автоматизированная линия (ГАЛ). ГАЛ — гибкая производственная система, состоящая из нескольких гибких производственных модулей, объединенных автоматизированной системой управления, в которой технологическое оборудование расположено в принятой последовательности технологических операций.
  3. Применение автоматизированных комплексов оборудования для различных технологий. Более высокую степень автоматизации в данном направлении развития будет иметь гибкий производственный комплекс (ГПК). ГПК — гибкая производственная система, состоящая из нескольких модулей, объединенных автоматизированной транспортной системой, автономно функционирующей в течение заданного интервала времени; имеется возможность встраивания в систему более высокой степени автоматизации.
  4. Применение гибких автоматизированных производств изделий микроэлектроники. Гибкие производственные системы лежат в основе следующих форм организации технологических процессов: автоматических линий, поточных линий различного вида и серийных участков. Отличие всех форм организации производственных процессов на базе ГПС состоит в более высоких уровнях автоматизации и степени гибкости. Гибкость системы заключается в возможности быстрой переналадки производства на выпуск новых изделий и в изменении объема выпуска изделий.

Основные понятия и определения гибких производственных систем ГПС содержатся в ГОСТ 26 228-84. Для общего представления о степени автоматизации рассмотрим некоторые варианты применяемых автоматизированных и автоматических систем в производстве микроэлектроники.

ГПС является предпочтительной системой, имеющей высокую степень автоматизации, которой придерживаются современные ведущие предприятия микроэлектронной промышленности. Но следует заметить, что высокая степень автоматизации может быть далеко не идеальным вариантом для некоторых производителей. В данном случае имеет большое значение и коммерческая сторона вопроса в выборе степени автоматизации производства, поэтому необходимо учитывать экономическую эффективность принятого пути развития.

Анализируя технологический процесс изготовления светодиода можно заметить, что одной из самых сложных операций при сборке светодиода является монтаж кристалла на ножку. Сложность этой операции обусловлена малыми размерами кристалла 0,3x0,3 мм (и менее) и необходимостью его припаива-ния или приклейки. Таким образом, сборочные процессы характеризуются индивидуальным характером выполнения операции. Они более трудоемки. Трудоемкость их составляет около 35% общей трудоемкости изготовления светодиода. Следовательно, наиболее подходящей для автоматизации будет операция монтажа кристалла в корпус светодиода.

При ручной подготовке и монтаже кристалла в корпус (сборки СИД) в условиях единичного производства способ транспортировки кристаллов не имеет особого значения. С переходом к автоматизированной операции монтажа он начинает заметно влиять на производительность и другие факторы процесса. Это приводит к созданию носителей, в которых кристаллы поступают с завода-изготовителя. В этом случае идеальным вариантом было бы использовать кассеты с лентой-носителем кристаллов, имеющей реперные знаки (некий аналог носителя электронных чип-компонентов). Но для изготовителей удобно размещать кристаллы на липкой ленте-носителе. Это обусловлено технологией разделения полупроводниковой пластины на мелкие кристаллы. Энергосберегающие лампы так долговечны, что с применением датчиков движения могут прослужить очень долгое время, конечно же при правильном монтаже кристалла.

Особенностью автоматизации процесса сборки светодиода является то, что захват кристалла производится из тары, которая представляет собой липкую поливинилхлоридную пленку, на которой наклеены миниатюрные кристаллы. Очевидно, что в автоматизированном процессе функция человека-оператора должна быть сведена к минимуму, и желательно ограничить ее управлением манипулятором. Человек-оператор, визуально наблюдая на мониторе перемещение манипулятора с вакуумным пинцетом, должен навести его на кристалл. Затем нажатием на кнопку дать команду на автоматический захват кристалла вакуумным пинцетом и дальнейший перенос его для монтажа в ножку светодиода. Подобные установки существуют в полупроводниковой промышленности, однако не обеспечивают захват кристаллов с линейными размерами 0,3x0,3 мм. Это связано с тем, что вакуум, который создается в трубке захвата, может обеспечить очень незначительную силу, которой не достаточно для отрыва кристалла от липкого носителя, а при использовании иного вида захвата есть опасность механического разрушения. В некоторых установках, например, «Зонд-А5» для этой цели используется подколка кристалла. Однако такие установки предназначены для монтажа кристаллов с площадью более 0,3x0,3, кроме того, при подъеме кристалла он может размещаться на острие иглы перекосом. Таким образом, задача создания установки автоматизированной сборки светодиодов сводится к проектированию узла захвата кристаллов с липкого носителя. Остальные детали установки могут быть заимствованы из других изделий или спроектированы на основе известных технических решений. Одним из возможных путей уменьшения адгезии при захвате кристалла является подогрев липкого носителя. Для проверки указанной гипотезы были произведены лабораторные исследования, которые включали в себя определение силы адгезии в зависимости от температуры и площади кристаллов, установленных на липком носителе. Как правило, в качестве липкого носителя, или, как ее называют, ленты-спутника, используется лента ЛС-А1 ТУ 6365-01-00205133-97, которая представляет собой поливинилхлоридную пленку с односторонним липким покрытием.  Светодиодные лампы нынче самый популярный продукт из осветительных приборов, благодаря кристллам правильно установленным на подножке.

На первом этапе исследований производилось экспериментальное определение значения силы, удерживающей кристалл на носителе. Эксперимент проводился с кристаллами, имеющими характерные размеры для светоизлучающих диодов с повышенной мощностью светового потока. Размеры кристалла — 0,3x0,3 мм. Целью данного эксперимента было получение численного значения величины силы отрыва кристалла от носителя, направленной по нормали к кристаллу. Кристаллы, расположенные на носителе, по одному закреплялись тонкой проволокой к граммометру, с помощью которого к кристаллу подводилась указанная сила, направленная по нормали. Поверхность кристалла заливалась клеем для обеспечения достаточной прочности полупроводниковой структуры и надежности крепления проволоки к кристаллу. Значение силы Fn, полученное в момент отрыва кристалла от носителя, и является значением силы, обусловленной адгезией ленты-спутника. Среднее значение силы Fn, полученное при комнатной температуре после ряда измерений, составляет 2,33 г.

Анализ полученных результатов показал, что значение силы, которую необходимо приложить к кристаллу для его отрыва, существенно больше, чем может обеспечить вакуумный пинцет. Элементарный расчет показывает, что вакуумный пинцет, имея площадь контакта с кристаллом S=0,0707 мм2, может обеспечить силу отрыва Fn не более 0,73 г.

На втором этапе работы были произведены исследования с целью определения зависимости силы адгезии от температуры. Для этого использовался нагревательный стол с датчиком температуры, на который устанавливалась лента-спутник с размещенными на ней кристаллами. Теперь светодиодное освещение благодаря светодиодам может светить в каждом доме.

Следует отметить, что повышение температуры возможно лишь до определенных пределов, т. к. в технических условиях на ленту-спутник указано, что при температуре более 150 °С происходит разложение полимеров, из которых изготовлена эта лента. В связи с этим нагрев указанной ленты-спутника, производился в диапазоне от 22 до 70 °С, измерения нормальной силы выполнялись аналогично исследованиям, приведенным ранее.

Анализируя полученные результаты, можно заметить, что при увеличении температуры от 22 до 50 °С сила адгезии, удерживающая кристалл на ленте-спутнике, уменьшилась примерно в два раза. Кроме того, при осмотре поверхности опытного кристалла не было обнаружено остатков липкого слоя, которые могли бы помешать при дальнейших технологических операциях. Увеличение температуры в большинестве случаев негативно влияет на светодиодные светильники.

Отметим, что при температуре 70 °С было получено значение нормальной силы Fn, удерживающей кристалл на носителе, которое на порядок меньше, чем значение силы, полученное при комнатной температуре. В этом случае на кристаллах также отсутствовали следы липкого носителя.

На последнем этапе работы производилось исследование изменения силы адгезии в зависимости от площади кристалла. Указанные исследования необходимы в случае использования кристаллов с геометрическими размерами, отличными от приведенных ранее. Иследования показали, что продажа светодиодных светильников оптом позволяет существенно снизить стоимость нерехода на светодиодное освещение.

Исследования производились с использованием полупроводниковых пластинок с различной площадью. Опытным путем было получено значение нормальной силы отрыва Fn при комнатной температуре, при температуре 50 и 70 °С. Полученные значения приводятся, отображены зависимости Fn(T) для каждой из пластин.

На основе результатов выполненных исследований можно сделать следующие выводы:

  1. Построение стенда автоматизированной сборки на базе узлов, производящих только подколку кристаллов при их монтаже, не целесообразно.
  2. Сила адгезии между кристаллами и липким слоем ленты-спутника существенно зависит от температуры подогрева и площади кристалла. При температуре нагрева до 70 °С она может быть уменьшена на порядок.
  3. Технология захвата кристаллов размером 0,3x0,3 мм должна включать как элемент подколки, так и элемент нагрева ленты-спутника.
  4. Анализ особенностей работы вакуумного пинцета показывает, что подобная технология может быть использована для кристаллов с площадью не более 3,303 мм2. Из предложенных выводов следует, что целесообразно создание экспериментального узла по монтажу кристаллов в ножку светодиода с применением исследованной технологии.