基于如何提高LED芯片分選效率的研究

陳小雪+王紅鋒

摘??要：以提升LED芯片在分選過程中的效率和速度的研究為例，從采用軟件特殊處理工藝流程和目前主流硬件配置的角度，分析了提高分選效率和分選速度的方法。

關(guān)鍵詞：LED芯片;發(fā)光強度;硬件配置;馬達

中圖分類號：TH237.5?????????????文獻標(biāo)識碼：A???????????????DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.094

LED可以按照波長、發(fā)光強度、發(fā)光角度和工作電壓等角度進行測試分選。具體而言，是將1片LED芯片分成多個檔次（Bin），并根據(jù)設(shè)定的測試標(biāo)準(zhǔn)將LED分裝在不同的Bin盒內(nèi)。隨著LED行業(yè)的高速發(fā)展，市場對LED芯片的要求越來越高，大型顯示屏或其他高檔應(yīng)用客戶對LED的質(zhì)量要求非常高，尤其是對波長與亮度一致的要求非常嚴(yán)格。如果封裝廠沒有嚴(yán)控芯片光電參數(shù)的一致性，則會在封裝后產(chǎn)生大量的不合格庫存品。這種情形迫使封裝廠在采購時對LED芯片的要求非常嚴(yán)格，特別是對波長、亮度和工作電壓等指標(biāo)的要求非常高。比如，以往對波長的要求是±0.5?nm，2.5?nm分檔，亮度為20?mcd分檔;而目前，波長的要求為±0.5?nm，1.5?nm分檔，亮度為10?mcd分檔。這對LED芯片的生產(chǎn)廠家造成了巨大的壓力，進而在芯片銷售前必須進行嚴(yán)格分選?？蛻羧找鎳?yán)苛的需求使芯片供應(yīng)商必須改善自身的制造工藝，生產(chǎn)一致性更高的LED芯片或增加分選的檔次（Bin）、效率。本文針對如何提高分選效率進行探討。

1??軟件優(yōu)化方面的提效分析

早期分選機的檔次為32?Bin和50?Bin，隨后增加到64?Bin和100?Bin，現(xiàn)在市場中已出現(xiàn)了檔次為150?Bin的分選機。雖然分選機的檔次在不斷增加，但LED的光電特性技術(shù)指標(biāo)仍然無法滿足高端市場的需求。分選分出Bin的數(shù)量取決于設(shè)備的Bin?Frame數(shù)量，當(dāng)增加Frame的數(shù)量時，分選機的復(fù)雜程度會隨之提高，設(shè)備的制造成本也會提高，不利于制造商的發(fā)展。

在已有的分選設(shè)備中，為了增加分類的數(shù)量，均從改造設(shè)備入手，導(dǎo)致設(shè)備的體積越來越大，成本也越來越高。在LED芯片的生產(chǎn)中，設(shè)備成本占據(jù)了較高的資金比例，當(dāng)市場的要求越來越高時，原有的分Bin等級已經(jīng)無法滿足市場的需求;當(dāng)將Bin表設(shè)置得更加細化，可滿足市場需求后，會有相當(dāng)部分的LED芯片因光電特性沒有在Bin表的范圍內(nèi)而無法入Bin，受到了設(shè)備所能分選最大Bin的限制，導(dǎo)致這部分產(chǎn)品轉(zhuǎn)入非量產(chǎn)Bin中。

為了解決上述問題，我們采取一種特殊的處理辦法，即設(shè)立重轉(zhuǎn)檔Bin。采用軟件數(shù)據(jù)處理的方式二次分選轉(zhuǎn)檔條件，可在不改變分選設(shè)備結(jié)構(gòu)的情況下，將分Bin數(shù)量提高至分選設(shè)備最大分Bin數(shù)量的1倍甚至幾倍。在實際操作過程中，具體步驟可分為以下6步。

第一步，根據(jù)芯片具體的光電特性，比如波長、亮度和工作電壓等，按照分BIN要求劃分出各光電特性的劃分?jǐn)?shù)量，再按排列組合的規(guī)律乘以各個數(shù)量，得出總分Bin數(shù)量。

第二步，按照步驟一得出的結(jié)果編寫B(tài)in表，Bin表中的最大Bin數(shù)量因受到分選設(shè)備局限性的限制，所以最大Bin數(shù)量不能超過分選機的分Bin數(shù)量。

第三步，在編寫的Bin表中，我們單獨設(shè)置了1個重轉(zhuǎn)檔Bin，這個重轉(zhuǎn)檔Bin包含了該Bin表不能包含的其余所有Bin。

第四步，按該Bin表完成分選后，將重轉(zhuǎn)檔Bin單獨取出，通過數(shù)學(xué)公式編寫重轉(zhuǎn)檔程式，并按照Bin資料對每一顆晶粒的坐標(biāo)進行格式轉(zhuǎn)換（逆時針旋轉(zhuǎn)90°），具體算法如下：

X=y

Y=max（x）-x+1.?????????????（1）

式（1）中：大寫的X，Y為轉(zhuǎn)換格式后Prober資料中每一顆晶粒

的坐標(biāo);小寫的x，y為原先Bin資料中每一顆晶粒對應(yīng)的坐標(biāo)。

第五步，新的Bin表轉(zhuǎn)檔轉(zhuǎn)換格式后的測試檔案，使重轉(zhuǎn)檔中包含的諸多Bin能以新的Bin表區(qū)分，有利于進行二次分選。

第六步，如果二次分選依舊無法滿足要求，則可在新的Bin表中再次設(shè)置重轉(zhuǎn)檔Bin，并按照上述方法進行第三次分選，以達到細分各項光電特性的目的。

2??硬件配置方面的提效探討

目前，主要有2種類型的設(shè)備，分別為單手臂90°旋轉(zhuǎn)挑揀和雙手臂180°旋轉(zhuǎn)挑揀。其中，單手臂旋轉(zhuǎn)挑揀的最快速度可達到90?ms左右的cycle?time;雙手臂旋轉(zhuǎn)挑揀的最快速度可達到65?ms左右的cycle?time。

在硬件配置方面，分選設(shè)備主要依靠伺服馬達系統(tǒng)實現(xiàn)高精度、高速度的運行。其中，核心為伺服驅(qū)動器，其作用類似于變頻器作用于普通交流馬達，主要應(yīng)用于高精度的定位系統(tǒng)，一般通過位置、速度和力矩控制伺服馬達，從而實現(xiàn)高精度的傳動系統(tǒng)定位。

從伺服電機系統(tǒng)與不同類型設(shè)備結(jié)合的角度分析，得出不同類型設(shè)備最快的理論速度，并對速度損失的部分進行了探討，研究是否存在提速空間。

2.1??單手臂設(shè)備的探討

目前，被廣泛應(yīng)用的有三菱、安川和施耐德等品牌的伺服驅(qū)動器、馬達。下面對威控LS-368單手臂機型上裝備的安川SGMAV-08ADA61馬達進行討論，該型號馬達的具體參數(shù)如表1所示。

表1??安川SGMAV-08ADA61馬達的參數(shù)

電壓/V

交流200

額定輸出/W

750

額定轉(zhuǎn)矩/N·m

2.39

額定電流/A

5.3

P=0.105×T×N.?????????????（2）

式（2）中：?P為額定功率;T為轉(zhuǎn)速;N為轉(zhuǎn)矩。

根據(jù)式（2）可計算得出額定轉(zhuǎn)速為2?988?r/min。由于目前使用的工業(yè)電壓為交流220?V，所以實際的額定轉(zhuǎn)速為3?286?r/min。

按照實際的額定轉(zhuǎn)速3?286?r/min計算，單個360°旋轉(zhuǎn)的周期耗時大約為18.25?ms，則單手臂90°做一次往復(fù)運動會占1/2周期，耗時10?ms左右。而實際cycle?time耗時為100?ms，以遠超理論機構(gòu)的運行時間。手臂每次運轉(zhuǎn)90°的動作可分為5個步驟：取晶→啟動（加速）→正常速度→停止（減速）→置晶，而取晶、啟動、停止和置晶步驟需要的時間遠超過正常運行的時間。因此，設(shè)備實際的cycle?time超過理論時間是合理的，如何減少超出時間是需要下一步需要討論的問題。

取晶、固晶動作時間難以縮短，而電機快速啟停動作的時間取決于電機轉(zhuǎn)子上的負載慣量（分選機手臂上無外加轉(zhuǎn)矩，只考慮本身慣量）。電機轉(zhuǎn)子的慣量可視為旋轉(zhuǎn)慣量，根據(jù)旋轉(zhuǎn)慣量計算公式：

J=MR2/2.????????????????（3）

式（3）中：J為旋轉(zhuǎn)慣量;M為轉(zhuǎn)子上所帶負載的質(zhì)量，kg;R為負載質(zhì)心到轉(zhuǎn)子中軸線的距離，cm。

從式（3）中可以看出，減少轉(zhuǎn)子負載的質(zhì)量和縮短負載質(zhì)心到轉(zhuǎn)子中軸線的距離能夠減少旋轉(zhuǎn)慣量，并縮短加、減速的時間。

以威控LS-368單手臂機臺為例，該設(shè)備采用安川750?W中慣量馬達，采取以下幾種辦法可達到上述目的：①用密度較低、強度較高的復(fù)合材料取代合金材料，并作為挑揀手臂，從而直接減少負載質(zhì)量;多采用鏤空設(shè)計，以進一步減少質(zhì)量。此外，電機轉(zhuǎn)子可考慮采用空心設(shè)計，以減少因本身質(zhì)量過大而帶來的慣量。②重新設(shè)計手臂結(jié)構(gòu)。手臂應(yīng)設(shè)計成錐狀，手臂尖部的寬度應(yīng)比末端寬度小，這樣可縮短負載質(zhì)心與電機轉(zhuǎn)子中軸線距離。③減少手臂上額外附加的負載。主要指減少吸嘴帽和氣管等附加裝置，可以采用塑膠透明吸嘴帽取代金屬吸嘴帽，以小氣管取代大氣管，從而降低額外負載質(zhì)量。

采取上述辦法后，電機的加、減速性會更好，可縮短加、減速的時間，縮短挑揀單顆芯片的cycle?time。在慣量降低至足夠小的情況下，可換用制動性能更好的小慣量馬達，以實現(xiàn)更快的加、減速動作和更好的動態(tài)性能。

2.2??雙手臂設(shè)備的探討

雙手臂設(shè)備的手臂運行角度為180°，2個手臂的夾角為180°。其運行步驟可以分為：取晶→啟動（加速）→正常速度→停止（減速）→置晶。如果馬達不存在加、減速，且馬達轉(zhuǎn)速與單手臂相同，則在雙手臂180°運行時，運行1個往復(fù)動作會占用1個周期，2個手臂同時動作可完成2顆芯片的挑揀，相當(dāng)于挑揀單顆芯片的時間為半個周期，與單手臂相同。但在實際中，雙手臂運行的最快cycle?time比單手臂運行的最快cycle?time減少了1/3.具體如圖1和圖2所示。

圖1??單手臂運行圖示

注：數(shù)字對應(yīng)的單個運行周期為取晶→啟動（加速）→正常速度→停止（減速）→置晶對應(yīng)的時間。

圖2??雙手臂運行圖示

注：數(shù)字對應(yīng)的單個運行周期為取晶→啟動（加速）→正常速度→停止（減速）→置晶對應(yīng)的時間。

從圖1和圖2中可以看出，在馬達型號一致且確保匹配的前提下，雙手臂機的優(yōu)勢在于增加了手臂的運行速度，比單個手臂的平均cycle?time短。在實際情況下，由于雙手臂機有2個手臂，其負載質(zhì)量會增加1倍，旋轉(zhuǎn)慣量也隨之增加。因此，馬達可能需要選擇中慣量型號進行重新匹配，其余的提速辦法與單手臂機一致。

3??結(jié)束語

本文對提升分選的效率和速度進行了闡述，提出了一些可行性較高的方案，并討論了分選設(shè)備后續(xù)的改進方向，希望能起到一定的指導(dǎo)作用。

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作者簡介：陳小雪（1986—），男，湖北公安人，本科，現(xiàn)從事GaN?LED芯片的技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)線制造工藝維護改良等方面的工作;王紅鋒（1988—），男，湖南衡陽人，本科，現(xiàn)從事GaN?LED芯片的技術(shù)研發(fā)、產(chǎn)線制造工藝維護改良等方面的工作。

〔編輯：張思楠〕

The?Research?on?How?to?Improve?the?Separation?Efficiency?based?on?LED?Chip

Chen?Xiaoxue，?Wang?Hongfeng，

Abstract：?In?order?to?improve?the?efficiency?and?speed?of?LED?chip?in?the?sorting?process?as?an?example，?from?the?use?of?software?special?treatment?process?and?the?current?mainstream?hardware?configuration?angle，?analyzes?the?methods?to?improve?the?efficiency?of?separation?and?sorting?speed.

Key?words：?LED?chip;?luminous?intensity;?hardware?configuration;?motor