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。

關鍵詞：LED芯片;發光強度;硬件配置;馬達

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

LED可以按照波長、發光強度、發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），并根據設定的測試標準將LED分裝在不同的Bin盒內。隨著LED行業的高速發展，市場對LED芯片的要求越來越高，大型顯示屏或其他高檔應用客戶對LED的質量要求非常高，尤其是對波長與亮度一致的要求非常嚴格。如果封裝廠沒有嚴控芯片光電參數的一致性，則會在封裝后產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芯片的要求非常嚴格，特別是對波長、亮度和工作電壓等指標的要求非常高。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芯片的生產廠家造成了巨大的壓力，進而在芯片銷售前必須進行嚴格分選。客戶日益嚴苛的需求使芯片供應商必須改善自身的制造工藝，生產一致性更高的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，現在市場中已出現了檔次為150?Bin的分選機。雖然分選機的檔次在不斷增加，但LED的光電特性技術指標仍然無法滿足高端市場的需求。分選分出Bin的數量取決于設備的Bin?Frame數量，當增加Frame的數量時，分選機的復雜程度會隨之提高，設備的制造成本也會提高，不利于制造商的發展。

在已有的分選設備中，為了增加分類的數量，均從改造設備入手，導致設備的體積越來越大，成本也越來越高。在LED芯片的生產中，設備成本占據了較高的資金比例，當市場的要求越來越高時，原有的分Bin等級已經無法滿足市場的需求;當將Bin表設置得更加細化，可滿足市場需求后，會有相當部分的LED芯片因光電特性沒有在Bin表的范圍內而無法入Bin，受到了設備所能分選最大Bin的限制，導致這部分產品轉入非量產Bin中。

為了解決上述問題，我們采取一種特殊的處理辦法，即設立重轉檔Bin。采用軟件數據處理的方式二次分選轉檔條件，可在不改變分選設備結構的情況下，將分Bin數量提高至分選設備最大分Bin數量的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數量，再按排列組合的規律乘以各個數量，得出總分Bin數量。

第二步，按照步驟一得出的結果編寫Bin表，Bin表中的最大Bin數量因受到分選設備局限性的限制，所以最大Bin數量不能超過分選機的分Bin數量。

第三步，在編寫的Bin表中，我們單獨設置了1個重轉檔Bin，這個重轉檔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，將重轉檔Bin單獨取出，通過數學公式編寫重轉檔程式，并按照Bin資料對每一顆晶粒的坐標進行格式轉換（逆時針旋轉90°），具體算法如下：

X=y

Y=max（x）-x+1.?????????????（1）

式（1）中：大寫的X，Y為轉換格式后Prober資料中每一顆晶粒

的坐標;小寫的x，y為原先Bin資料中每一顆晶粒對應的坐標。

第五步，新的Bin表轉檔轉換格式后的測試檔案，使重轉檔中包含的諸多Bin能以新的Bin表區分，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表中再次設置重轉檔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種類型的設備，分別為單手臂90°旋轉挑揀和雙手臂180°旋轉挑揀。其中，單手臂旋轉挑揀的最快速度可達到90?ms左右的cycle?time;雙手臂旋轉挑揀的最快速度可達到65?ms左右的cycle?time。

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

從伺服電機系統與不同類型設備結合的角度分析，得出不同類型設備最快的理論速度，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??單手臂設備的探討

目前，被廣泛應用的有三菱、安川和施耐德等品牌的伺服驅動器、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如表1所示。

表1??安川SGMAV-08ADA61馬達的參數

電壓/V

交流200

額定輸出/W

750

額定轉矩/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為轉速;N為轉矩。

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

按照實際的額定轉速3?286?r/min計算，單個360°旋轉的周期耗時大約為18.25?ms，則單手臂90°做一次往復運動會占1/2周期，耗時10?ms左右。而實際cycle?time耗時為100?ms，以遠超理論機構的運行時間。手臂每次運轉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子上的負載慣量（分選機手臂上無外加轉矩，只考慮本身慣量）。電機轉子的慣量可視為旋轉慣量，根據旋轉慣量計算公式：

J=MR2/2.????????????????（3）

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

從式（3）中可以看出，減少轉子負載的質量和縮短負載質心到轉子中軸線的距離能夠減少旋轉慣量，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量;多采用鏤空設計，以進一步減少質量。此外，電機轉子可考慮采用空心設計，以減少因本身質量過大而帶來的慣量。②重新設計手臂結構。手臂應設計成錐狀，手臂尖部的寬度應比末端寬度小，這樣可縮短負載質心與電機轉子中軸線距離。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，以實現更快的加、減速動作和更好的動態性能。

2.2??雙手臂設備的探討

雙手臂設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，且馬達轉速與單手臂相同，則在雙手臂180°運行時，運行1個往復動作會占用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：數字對應的單個運行周期為取晶→啟動（加速）→正常速度→停止（減速）→置晶對應的時間。

圖2??雙手臂運行圖示

注：數字對應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，其負載質量會增加1倍，旋轉慣量也隨之增加。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，并討論了分選設備后續的改進方向，希望能起到一定的指導作用。

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作者簡介：陳小雪（1986—），男，湖北公安人，本科，現從事GaN?LED芯片的技術研發、產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，現從事GaN?LED芯片的技術研發、產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