人眼對于光的顏色及亮度的分辨率非常高,特別是對于顏色的差別和變化非常敏感。對于不同顏色波長的光人眼的敏感度是不同的。例如,對于波長是585nm光,當顏色變化大于1nm時,人眼就可以感覺到;而對于波長為650nm的紅光,當顏色變化在3nm的時候,人眼才能察覺到。
在早期,由于LED主要被用作指示或顯示燈用,而且一般以單顆器件出現,所以對于其波長的分選和亮度的控制要求并不高。但隨著LED的效率和亮度的不斷提高,其應用范圍越來越廣。當LED作為陣列顯示和顯示屏器件時,由于人眼對于顏色波長和亮度的敏感性,用沒有分選過的LED變就會產生不均勻的現象,進而影響人們的視覺效果。波長和光亮度的不均勻都會給人產生不舒服的感覺。這是各LED顯示器制造廠家都不愿意看到的,也是人們無法接受的。LED通常按照主波長、發光強度、光通亮、色溫、工作電壓、反向擊穿電壓等幾個關鍵參數進行測試與分選。LED的測試與分選是LED生產過程中的一項必要工序。目前,它是許多LED芯片和封裝廠商的產能瓶頸,也是LED芯片生產和封裝成本的重要組成部分。
1、LED的分選方法
LED的分選有兩種方法：一是以芯片為基礎的測試分選,二是對封裝好的LED進行測試分選。
(1)芯片的測試分選
LED芯片分選難度很大,主要原因是LED芯片尺寸一般都很小,從9mil到14mil(0.22-0.35nm)。這樣小的芯片需要微探針才能夠完成測試,分選過程需要精確的機械和圖像識別系統,這使得設備的造價變得很高,而且測試速度受到限制。現在的LED芯片測試分選機價格約在100萬元人民幣\臺,其測試速度在每小時10000只左右。如果按照每月25天計算,每一臺分選機的產能為每月5KK.
目前,芯片的測試分選有兩種方法：一種方法是測試分選由同一臺機器完成,它的優點是可靠,但速度很慢,產能低;另一種方法是測試和分選由兩臺機器完成,測試設備記錄下每個芯片的位置和參數,然后把這些數據傳遞到分選設備上,進行快速分選、這樣做的優點是快速,但缺點是可靠性比較低,容易出錯,因為在測試與分選兩個步驟之間通常還有襯底減薄和芯片分離的工藝過程,而在這個過程中,外延片有可能碎裂、局部殘缺碎裂或局部殘缺,使得實際的芯片分布與儲存在分選機里的數據不符,造成分選困難。
從根本上解決芯片測試分選瓶頸問題的關鍵是改善外延片均勻性。如果一片外延片波長分布在2nm之內,亮度的變化在+15%之內,則可以將這個片子上的所有芯片歸為一檔(Bin),只要通過測試把不合格的芯片去除即可,將大大增加芯片的產能和降低芯片的成本。在均勻性不是很好的情況下,也可以用測試并把“不合格產品較多”的芯片區域用噴墨涂抹的方式處理掉,從而快速地得到想要的“合格”芯片,但這樣做的成本太高,會把很多符合其他客房要求的芯片都做為不合格證的廢品處理,最后核算出的芯片成本可能是市場無法接受的水平。
(2)LED的測試分選
封裝后的LED可以按照波長、發光強度、發光角度以及工作電壓等進行測試分選。其結果是把LED分成很多檔(Bin)和類別,然后測試分選機會自動地根據設定的測試標準把LED分裝在不同的Bin盒內。由于人們對于LED的要求越來越高,早期的分選機是32Bin,后來增加到64Bin,現在已有72Bin的商用分選機。即使這樣,分Bin的LED技術指標仍然無法滿足生產和市場的需求。
LED測試分選機是在一個特定的工作臺電流下(如20mA),對LED進行測試,一般還會做一個反向電壓值的測試。現在的LED測試分選機價格約在40~50萬人民幣/臺,其測試速度在每小時18000只左右。如果按照每月25天,每天20小時的工作時間計算,每一臺分選機的產能為每月9KK.
大型顯示屏或其他高檔應用客戶,對LED的質量要求較高。特別是在波長與亮度一致性的要求上很嚴格。假如LED封裝廠在芯片采購時沒有提出嚴格的要求,則這些封裝廠在大量的封裝后會發現,封裝好的LED中只有很少數量的產品能滿足某一客戶的要求,其余大部分將變成倉庫里的存貨。這種情形迫使LED封裝廠在采購LED芯片時提出嚴格的要求,特別是波長、亮度和工作臺電壓的指標;比如, 過去對波長要求是+2nm,而現在則要求為+1 nm,甚至在某些應用上,已提出+0.5 nm的要求。這樣對于芯片廠就產生了巨大的壓力,在芯片銷售前必須進行嚴格的分選。
從以上關于LED與LED芯片分選取的分析中可以看出,比較經濟的做法是對LED進行測試分選。但是由于LED的種類繁多,有不同的形式,不現的形狀,不同的尺寸,不同的發光角度,不同的客戶要求,不同的應用要求,這使用權得完全通過LED測試分選取進行產品的分選變得很難操作。而且目前LED的應用主要分布在幾個波長段和亮度段的范圍,一個封裝廠很難準備全部客戶需要的各種形式和種類的LED.所以問題的關鍵又回到MOCVD的外延工藝過程,如何生長出所需波長及亮度的LED外延片是降低成本的關鍵點,這個問題不解決,LED的產能及成本仍將得不到完全解決。但在外延片的均勻度得到控制以前,比較行之有效的方法是解決快速低成本的芯片分選問題。
2、分選設備
目前,LED芯片的測試分選設備主要由美國和日本廠商提供,而LED的測試分選設備大多由臺灣地區、香港廠商提供,中國大陸還沒有能提供類似設備的廠家。LED芯片分選機主要包括兩大硬件部分(機器手、微探針和光電測試儀)和一套系統軟件,而這三部分分別由不同廠家提供再集成起來;而LED測試分選取機則包括LED的機械傳輸,儲存和光電測試兩部分。
3、LED分選取技術發展趨勢
(1)在外延片的均勻度得到控制以前,研發快速低成本芯片分選工藝和設備。
(2)隨著W級功率LED技術的發展,傳統LED產品參數檢測標準及測試方法已不能滿足照明應用的需要,須開發全新的測試標準和方法,包含更多的與照明相關的光學內容。
(3)在LED系統壽命測試中,研發LED系統的長期性能和壽命快速測定評價技術。
(4)照明用LED是處于大電流驅動下工作,這就對其提出更高的可靠性要求。傳統LED的篩選方式不合適照明用大功率LED,必須開發新的篩選試驗辦法,剔除早期失效品,保證產品的可靠性。
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