基于如何提高LED芯片分选效率的研究

陈小雪+王红锋

摘  要：以提升LED芯片在分选过程中的效率和速度的研究为例，从采用软件特殊处理工艺流程和目前主流硬件配置的角度，分析了提高分选效率和分选速度的方法。

关键词：LED芯片;发光强度;硬件配置;马达

中图分类号：TH237.5             文献标识码：A               DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.01.094

LED可以按照波长、发光强度、发光角度和工作电压等角度进行测试分选。具体而言，是将1片LED芯片分成多个档次（Bin），并根据设定的测试标准将LED分装在不同的Bin盒内。随着LED行业的高速发展，市场对LED芯片的要求越来越高，大型显示屏或其他高档应用客户对LED的质量要求非常高，尤其是对波长与亮度一致的要求非常严格。如果封装厂没有严控芯片光电参数的一致性，则会在封装后产生大量的不合格库存品。这种情形迫使封装厂在采购时对LED芯片的要求非常严格，特别是对波长、亮度和工作电压等指标的要求非常高。比如，以往对波长的要求是±0.5 nm，2.5 nm分档，亮度为20 mcd分档;而目前，波长的要求为±0.5 nm，1.5 nm分档，亮度为10 mcd分档。这对LED芯片的生产厂家造成了巨大的压力，进而在芯片销售前必须进行严格分选。客户日益严苛的需求使芯片供应商必须改善自身的制造工艺，生产一致性更高的LED芯片或增加分选的档次（Bin）、效率。本文针对如何提高分选效率进行探讨。

1  软件优化方面的提效分析

早期分选机的档次为32 Bin和50 Bin，随后增加到64 Bin和100 Bin，现在市场中已出现了档次为150 Bin的分选机。虽然分选机的档次在不断增加，但LED的光电特性技术指标仍然无法满足高端市场的需求。分选分出Bin的数量取决于设备的Bin Frame数量，当增加Frame的数量时，分选机的复杂程度会随之提高，设备的制造成本也会提高，不利于制造商的发展。

在已有的分选设备中，为了增加分类的数量，均从改造设备入手，导致设备的体积越来越大，成本也越来越高。在LED芯片的生产中，设备成本占据了较高的资金比例，当市场的要求越来越高时，原有的分Bin等级已经无法满足市场的需求;当将Bin表设置得更加细化，可满足市场需求后，会有相当部分的LED芯片因光电特性没有在Bin表的范围内而无法入Bin，受到了设备所能分选最大Bin的限制，导致这部分产品转入非量产Bin中。

为了解决上述问题，我们采取一种特殊的处理办法，即设立重转档Bin。采用软件数据处理的方式二次分选转档条件，可在不改变分选设备结构的情况下，将分Bin数量提高至分选设备最大分Bin数量的1倍甚至几倍。在实际操作过程中，具体步骤可分为以下6步。

第一步，根据芯片具体的光电特性，比如波长、亮度和工作电压等，按照分BIN要求划分出各光电特性的划分数量，再按排列组合的规律乘以各个数量，得出总分Bin数量。

第二步，按照步骤一得出的结果编写Bin表，Bin表中的最大Bin数量因受到分选设备局限性的限制，所以最大Bin数量不能超过分选机的分Bin数量。

第三步，在编写的Bin表中，我们单独设置了1个重转档Bin，这个重转档Bin包含了该Bin表不能包含的其余所有Bin。

第四步，按该Bin表完成分选后，将重转档Bin单独取出，通过数学公式编写重转档程式，并按照Bin资料对每一颗晶粒的坐标进行格式转换（逆时针旋转90°），具体算法如下：

X=y

Y=max（x）-x+1.             （1）

式（1）中：大写的X，Y为转换格式后Prober资料中每一颗晶粒

的坐标;小写的x，y为原先Bin资料中每一颗晶粒对应的坐标。

第五步，新的Bin表转档转换格式后的测试档案，使重转档中包含的诸多Bin能以新的Bin表区分，有利于进行二次分选。

第六步，如果二次分选依旧无法满足要求，则可在新的Bin表中再次设置重转档Bin，并按照上述方法进行第三次分选，以达到细分各项光电特性的目的。

2  硬件配置方面的提效探讨

目前，主要有2种类型的设备，分别为单手臂90°旋转挑拣和双手臂180°旋转挑拣。其中，单手臂旋转挑拣的最快速度可达到90 ms左右的cycle time;双手臂旋转挑拣的最快速度可达到65 ms左右的cycle time。

在硬件配置方面，分选设备主要依靠伺服马达系统实现高精度、高速度的运行。其中，核心为伺服驱动器，其作用类似于变频器作用于普通交流马达，主要应用于高精度的定位系统，一般通过位置、速度和力矩控制伺服马达，从而实现高精度的传动系统定位。

从伺服电机系统与不同类型设备结合的角度分析，得出不同类型设备最快的理论速度，并对速度损失的部分进行了探讨，研究是否存在提速空间。

2.1  单手臂设备的探讨

目前，被广泛应用的有三菱、安川和施耐德等品牌的伺服驱动器、马达。下面对威控LS-368单手臂机型上装备的安川SGMAV-08ADA61马达进行讨论，该型号马达的具体参数如表1所示。

表1  安川SGMAV-08ADA61马达的参数

电压/V

交流200

额定输出/W

750

额定转矩/N·m

2.39

额定电流/A

5.3

P=0.105×T×N.             （2）

式（2）中： P为额定功率;T为转速;N为转矩。

根据式（2）可计算得出额定转速为2 988 r/min。由于目前使用的工业电压为交流220 V，所以实际的额定转速为3 286 r/min。

按照实际的额定转速3 286 r/min计算，单个360°旋转的周期耗时大约为18.25 ms，则单手臂90°做一次往复运动会占1/2周期，耗时10 ms左右。而实际cycle time耗时为100 ms，以远超理论机构的运行时间。手臂每次运转90°的动作可分为5个步骤：取晶→启动（加速）→正常速度→停止（减速）→置晶，而取晶、启动、停止和置晶步骤需要的时间远超过正常运行的时间。因此，设备实际的cycle time超过理论时间是合理的，如何减少超出时间是需要下一步需要讨论的问题。

取晶、固晶动作时间难以缩短，而电机快速启停动作的时间取决于电机转子上的负载惯量（分选机手臂上无外加转矩，只考虑本身惯量）。电机转子的惯量可视为旋转惯量，根据旋转惯量计算公式：

J=MR2/2.                （3）

式（3）中：J为旋转惯量;M为转子上所带负载的质量，kg;R为负载质心到转子中轴线的距离，cm。

从式（3）中可以看出，减少转子负载的质量和缩短负载质心到转子中轴线的距离能够减少旋转惯量，并缩短加、减速的时间。

以威控LS-368单手臂机台为例，该设备采用安川750 W中惯量马达，采取以下几种办法可达到上述目的：①用密度较低、强度较高的复合材料取代合金材料，并作为挑拣手臂，从而直接减少负载质量;多采用镂空设计，以进一步减少质量。此外，电机转子可考虑采用空心设计，以减少因本身质量过大而带来的惯量。②重新设计手臂结构。手臂应设计成锥状，手臂尖部的宽度应比末端宽度小，这样可缩短负载质心与电机转子中轴线距离。③减少手臂上额外附加的负载。主要指减少吸嘴帽和气管等附加装置，可以采用塑胶透明吸嘴帽取代金属吸嘴帽，以小气管取代大气管，从而降低额外负载质量。

采取上述办法后，电机的加、减速性会更好，可缩短加、减速的时间，缩短挑拣单颗芯片的cycle time。在惯量降低至足够小的情况下，可换用制动性能更好的小惯量马达，以实现更快的加、减速动作和更好的动态性能。

2.2  双手臂设备的探讨

双手臂设备的手臂运行角度为180°，2个手臂的夹角为180°。其运行步骤可以分为：取晶→启动（加速）→正常速度→停止（减速）→置晶。如果马达不存在加、减速，且马达转速与单手臂相同，则在双手臂180°运行时，运行1个往复动作会占用1个周期，2个手臂同时动作可完成2颗芯片的挑拣，相当于挑拣单颗芯片的时间为半个周期，与单手臂相同。但在实际中，双手臂运行的最快cycle time比单手臂运行的最快cycle time减少了1/3.具体如图1和图2所示。

图1  单手臂运行图示

注：数字对应的单个运行周期为取晶→启动（加速）→正常速度→停止（减速）→置晶对应的时间。

图2  双手臂运行图示

注：数字对应的单个运行周期为取晶→启动（加速）→正常速度→停止（减速）→置晶对应的时间。

从图1和图2中可以看出，在马达型号一致且确保匹配的前提下，双手臂机的优势在于增加了手臂的运行速度，比单个手臂的平均cycle time短。在实际情况下，由于双手臂机有2个手臂，其负载质量会增加1倍，旋转惯量也随之增加。因此，马达可能需要选择中惯量型号进行重新匹配，其余的提速办法与单手臂机一致。

3  结束语

本文对提升分选的效率和速度进行了阐述，提出了一些可行性较高的方案，并讨论了分选设备后续的改进方向，希望能起到一定的指导作用。

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作者简介：陈小雪（1986—），男，湖北公安人，本科，现从事GaN LED芯片的技术研发、产线制造工艺维护改良等方面的工作;王红锋（1988—），男，湖南衡阳人，本科，现从事GaN LED芯片的技术研发、产线制造工艺维护改良等方面的工作。

〔编辑：张思楠〕

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