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激光加工改善LED芯片效率

2009-05-14 10:06
姚看江湖
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        目前,照明工业有一些明显的局限性。白炽灯泡效率很低,灯泡将多达90%能量转变为热能,从灯丝上散发出来。虽然节能灯(又称“紧凑型荧光灯”)的销路似乎更好(因为灯管的寿命更久,也更有效率),但是它并不是长久之计,因为它含有汞,所以会给清理和销毁带来一定的问题。

        一致的看法是,照明工业的发展方向是高亮度LED(HB-LED)。HB-LED的主要强项在于:具有高能效/低电耗;工作时间非常长(达100000小时);可以改变发光方向,提高系统效率;稳固、抗振动,冷型光源,触摸安全;所发的光颜色饱和、鲜艳;操作时,即开即亮。

        根据市场调查公司Strategies Unlimited所作的分析,从1995年至今, HB-LED的整体市场已经增长了50%;而对于HB-LED在照明方面的应用,在过去的三年中该市场已经成长了60%。预计仅2008年就会有12%的增长率,到2012年,封装的HB-LED市场有望达到114亿。照明技术工业在这一领域呈现了快速发展,其潜在应用是非常广泛的,远远超过了传统的家用和工业应用,进入了医疗仪器、汽车和建筑业的照明,显示器的背光照明和许多其它的消费品中。

        由于其广泛的应用,HB-LED给制造工业带来了诸多挑战。它们的制造是通过复杂的晶体外延生长的方式得到的,比如金属有机化学气相沉积(MOCVD)技术,该加工技术非常复杂,它有赖于化学反应来实现晶体生长,而不是物理沉积。因为通过二极管的粉末含量很高,HB-LED要求有一个散热片,散热片能够使设备的温度降下来,进行有效的散热,从而优化设备的性能。有效的进行散热非常重要,它保证LED在长时间内能正常的工作。散热片是由导热性很高的铜、钼,或者它们的合金(如铜钨合金)制成的,以维持设备的使用寿命,并且保证发光度具有更高的输出。

        不过,如何降低这些金属的切割成本成为亟待解决的问题,因为传统的切割技术可能带来损坏或者污染,它们不仅会妨碍加工的过程,也影响LED的性能和效率。
        
        切割方法

        当采用机械切割(锯条)时,用作散热片的金属对金刚石锯条上锯齿产生磨损比传统的晶片包装更为严重,因为金刚石微粒上有树脂,树脂会吸引软金属上的小颗粒,这些小颗粒跑到锯条上的缝隙中,就使得锯条变钝。这样,锯条就必须进行频繁的更换,成本相当昂贵。而且,金刚石锯条带来了严重的污染,因为那些小颗粒如果没有附着在锯条上,就会返回材料表面。这将显著降低发光度,从而也降低了HB-LED的效率。虽然锯条可以进行很快的加工,但是所存在的这些问题使得锯条可能很快断裂。如果对它们进行优化以便提高切割质量的话,那么加工速度就非常慢,不能满足生产需要。对整个生产过程的影响使得金刚石锯条在这项应用中的成本太高。

        红外(IR)或者绿色“干型”激光器产生许多的热能,相应的也给用于HB-LED散热片的软金属带来热破坏。这些金属变为等离子体状态后很难轻易散开,它们残留在切口,形成毛刺或者重铸层,妨碍了模具的分离。提高射流强度并不能够提高等离子体的去除效率,相反的,它使得重铸层从切口上转移到HB-LED阵列的有效区域,降低了输出。这就损坏了设备的功能和效率,也使得设备制造商采用激光技术时的运营成本增加。

        与红外和绿光激光器相比,紫外(UV)激光器运作的效率更高,因为在操作时,它们产生的热能更小。然而,对于所要加工的材料厚度(100-500 m)来说,它们的加工速度实在太慢。甚至当功率较小的时候,它们仍然产生一些热损坏和污染。总而言之,由于热影响区域(HAZ)的尺寸较大(长达60 m),使用传统激光来切割HB-LED金属时所得到的边缘质量已经无法满足市场需求。
 

        第三种技术是采用微水刀激光器。这种激光器由Synova公司申请专利并投放市场,产品的英文名称为Laser MicroJet,中文意即“激光微水刀”。一开始,该技术被用于医疗设备,目前它被用于半导体和电子器件的精密微加工。该技术采用了超细、低压的水流将激光光束引导至材料表面。该加工技术的加工能力和性能与传统的干式激光器大不相同。

        首先,因为水流是柱状的,而激光光束是平行的,所以切口的壁是平行的。工作距离取决于水流的稳定距离,可以有几个厘米长,因此,无需对聚焦过程进行控制。激光在水流中保持聚焦。

        其次,该技术不存在热损坏的问题,因为水流对激光脉冲间的切口进行冷却。切口边缘的温度降到水温,任何因激光加工而带来的热能都不会传导到材料内部。这就有效的避免了加热所带来的损坏,例如:微裂痕,氧化,结构改变,或者模具断裂应力低等损坏。而且HAZ的面积降低了十倍。

        第三,微水刀大大的减少了污染程度。水压通常为50-500 巴,这使得微水刀能够有足够的能量将熔融的材料去除。与此同时,因为微水刀非常薄(直径约为20-100 m),在晶片上的机械力可以忽略(小于0.1 N),所以整个加工过程没有碎片或者微裂痕。
       
        第四,微水刀具有很高的能量,它使得熔融金属的切割过程更为容易及快速——厚达600 m的金属可以在1-3秒内被切割好,而且切割边缘光滑整齐,不仅加工结果一致,而且质量很高(见图1)。微水刀可以将HB-LED切割成任意形状:方形、圆形、六边形等等形状(见图2)。这就使得材料的使用更有效率,减少浪费。根据不同的需要,人们需要使用不同形状的LED。而微水刀非常适合该项应用。此外,由于微水刀能快速冷却、洗净残余颗粒,这些颗粒就不再附着在晶片表面,所以污染的情况就几乎没有了。表1中给出了微水刀激光器对不同尺寸和厚度的铜基底HB-LED的切割与加工能力。



        
        满足最新要求

        目前,有几种不同的方式可以对HB-LED进行加工/包装。第一种方式是在金属晶片上安装有效元件,然后将晶片切割成单个的小晶片。对这些材料进行有效切割是非常困难的,因为它们对红外激光或者绿色激光器来说太重了。这两类激光器都是使用气流将熔融的材料吹走,但是气流产生的能量不足以应付这项应用。而且,在切割过程中,激光器产生的高能量会烧坏材料的边缘,造成不能修补的损坏。

        另一种方法是在蓝宝石或者碳化硅晶片上安装LED元件,然后用锯条切割LED。由于冷却过程不够迅速,所以制造商将HB- LED制造成阵列的形式,在它们上面盖上铜,然后对材料进行抛光,从而得到一个纯的铜晶片,晶片内装有HB-LED,只有发光表面暴露在铜材料外面。微水刀激光器非常适合将这些装好的晶片切割开来,因为它们具有独特的包装和大量的散热片,如果使用其他方式加工,很容易就损坏了。
       
        * 样品4的结果如图1所示。
       
        目前在许多国家中,人们正开展国家级的发展计划,以期扩大LED作为照明手段的应用范围。这些国家包括美国以及亚洲地区中一些具有很大的技术发展潜力的国家,如日本、台湾、韩国和中国。由于灯光照明占了总耗电量的20%,这些发展计划旨在大规模节约能源,帮助消费者降低耗电成本,通过减少废气的排放降低温室效应,来改善环境。然而,在HB-LED照明市场的最大推动力是它们能够适应一些新的应用,在这些新应用中,有可能传统照明设备具有明显的劣势,也可能LED所具有的可靠性以及其他特殊的因素使得传统设备无法与之抗衡。随着HB-LED市场的迅速增长,微水刀激光器的市场也有望快速提高。   
       

      作者:Arnaud Brul,Bernold Richerzhagen。  Arnaud Brul是Synova公司(位于瑞士Ecublens)的市场部经理,Bernold Richerzhagen是该公司的CEO兼董事长。

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