激光加工改善HB-LED芯片效率

照明工業(yè)有一些明顯的局限性。一致的看法是,照明工業(yè)的發(fā)展方向是高亮度LED(HB-LED)。HB-LED的主要強項在于：具有高能效/低電耗;工作時間非常長(達100000小時);可以改變發(fā)光方向,提高系統(tǒng)效率;穩(wěn)固、抗振動,冷型光源,觸摸安全;所發(fā)的光顏色飽和、鮮艷;操作時,即開即亮。

白熾燈泡效率很低,燈泡將多達90%能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?從燈絲上散發(fā)出來。雖然節(jié)能燈(又稱“緊湊型熒光燈”)的銷路似乎更好(因為燈管的壽命更久,也更有效率),但是它并不是長久之計,因為它含有汞,所以會給清理和銷毀帶來一定的問題。

　　根據(jù)市場調(diào)查公司Strategies Unlimited所作的分析,從1995年至今, HB-LED的整體市場已經(jīng)增長了50%;而對于HB-LED在照明方面的應(yīng)用,在過去的三年中該市場已經(jīng)成長了60%。預(yù)計僅2008年就會有12%的增長率,到2012年,封裝的HB-LED市場有望達到114億。照明技術(shù)工業(yè)在這一領(lǐng)域呈現(xiàn)了快速發(fā)展,其潛在應(yīng)用是非常廣泛的,遠遠超過了傳統(tǒng)的家用和工業(yè)應(yīng)用,進入了醫(yī)療儀器、汽車和建筑業(yè)的照明,顯示器的背光照明和許多其它的消費品中。

　　由于其廣泛的應(yīng)用,HB-LED給制造工業(yè)帶來了諸多挑戰(zhàn)。它們的制造是通過復(fù)雜的晶體外延生長的方式得到的,比如金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)技術(shù),該加工技術(shù)非常復(fù)雜,它有賴于化學反應(yīng)來實現(xiàn)晶體生長,而不是物理沉積。因為通過二極管的粉末含量很高,HB-LED要求有一個散熱片,散熱片能夠使設(shè)備的溫度降下來,進行有效的散熱,從而優(yōu)化設(shè)備的性能。有效的進行散熱非常重要,它保證LED在長時間內(nèi)能正常的工作。散熱片是由導熱性很高的銅、鉬,或者它們的合金(如銅鎢合金)制成的,以維持設(shè)備的使用壽命,并且保證發(fā)光度具有更高的輸出。

　　不過,如何降低這些金屬的切割成本成為亟待解決的問題,因為傳統(tǒng)的切割技術(shù)可能帶來損壞或者污染,它們不僅會妨礙加工的過程,也影響LED的性能和效率。

　　切割方法

　　當采用機械切割(鋸條)時,用作散熱片的金屬對金剛石鋸條上鋸齒產(chǎn)生磨損比傳統(tǒng)的晶片包裝更為嚴重,因為金剛石微粒上有樹脂,樹脂會吸引軟金屬上的小顆粒,這些小顆粒跑到鋸條上的縫隙中,就使得鋸條變鈍。這樣,鋸條就必須進行頻繁的更換,成本相當昂貴。而且,金剛石鋸條帶來了嚴重的污染,因為那些小顆粒如果沒有附著在鋸條上,就會返回材料表面。這將顯著降低發(fā)光度,從而也降低了HB-LED的效率。雖然鋸條可以進行很快的加工,但是所存在的這些問題使得鋸條可能很快斷裂。如果對它們進行優(yōu)化以便提高切割質(zhì)量的話,那么加工速度就非常慢,不能滿足生產(chǎn)需要。對整個生產(chǎn)過程的影響使得金剛石鋸條在這項應(yīng)用中的成本太高。

　　紅外(IR)或者綠色“干型”激光器產(chǎn)生許多的熱能,相應(yīng)的也給用于HB-LED散熱片的軟金屬帶來熱破壞。這些金屬變?yōu)榈入x子體狀態(tài)后很難輕易散開,它們殘留在切口,形成毛刺或者重鑄層,妨礙了模具的分離。提高射流強度并不能夠提高等離子體的去除效率,相反的,它使得重鑄層從切口上轉(zhuǎn)移到HB-LED陣列的有效區(qū)域,降低了輸出。這就損壞了設(shè)備的功能和效率,也使得設(shè)備制造商采用激光技術(shù)時的運營成本增加。
與紅外和綠光激光器相比,紫外(UV)激光器運作的效率更高,因為在操作時,它們產(chǎn)生的熱能更小。然而,對于所要加工的材料厚度(100-500 m)來說,它們的加工速度實在太慢。甚至當功率較小的時候,它們?nèi)匀划a(chǎn)生一些熱損壞和污染。總而言之,由于熱影響區(qū)域(HAZ)的尺寸較大(長達60 m),使用傳統(tǒng)激光來切割HB-LED金屬時所得到的邊緣質(zhì)量已經(jīng)無法滿足市場需求。

　　第三種技術(shù)是采用微水刀激光器。這種激光器由Synova公司申請專利并投放市場,產(chǎn)品的英文名稱為Laser MicroJet,中文意即“激光微水刀”。一開始,該技術(shù)被用于醫(yī)療設(shè)備,目前它被用于半導體和電子器件的精密微加工。該技術(shù)采用了超細、低壓的水流將激光光束引導至材料表面。該加工技術(shù)的加工能力和性能與傳統(tǒng)的干式激光器大不相同。

　　首先,因為水流是柱狀的,而激光光束是平行的,所以切口的壁是平行的。工作距離取決于水流的穩(wěn)定距離,可以有幾個厘米長,因此,無需對聚焦過程進行控制。激光在水流中保持聚焦。

　　其次,該技術(shù)不存在熱損壞的問題,因為水流對激光脈沖間的切口進行冷卻。切口邊緣的溫度降到水溫,任何因激光加工而帶來的熱能都不會傳導到材料內(nèi)部。這就有效的避免了加熱所帶來的損壞,例如：微裂痕,氧化,結(jié)構(gòu)改變,或者模具斷裂應(yīng)力低等損壞。而且HAZ的面積降低了十倍。

　　第三,微水刀大大的減少了污染程度。水壓通常為50-500 巴,這使得微水刀能夠有足夠的能量將熔融的材料去除。與此同時,因為微水刀非常薄(直徑約為20-100 m),在晶片上的機械力可以忽略(小于0.1 N),所以整個加工過程沒有碎片或者微裂痕。

　　第四,微水刀具有很高的能量,它使得熔融金屬的切割過程更為容易及快速——厚達600 m的金屬可以在1-3秒內(nèi)被切割好,而且切割邊緣光滑整齊,不僅加工結(jié)果一致,而且質(zhì)量很高(見圖1)。微水刀可以將HB-LED切割成任意形狀：方形、圓形、六邊形等等形狀(見圖2)。這就使得材料的使用更有效率,減少浪費。根據(jù)不同的需要,人們需要使用不同形狀的LED。而微水刀非常適合該項應(yīng)用。此外,由于微水刀能快速冷卻、洗凈殘余顆粒,這些顆粒就不再附著在晶片表面,所以污染的情況就幾乎沒有了。表1中給出了微水刀激光器對不同尺寸和厚度的銅基底HB-LED的切割與加工能力。

　　滿足最新要求

　　目前,有幾種不同的方式可以對HB-LED進行加工/包裝。第一種方式是在金屬晶片上安裝有效元件,然后將晶片切割成單個的小晶片。對這些材料進行有效切割是非常困難的,因為它們對紅外激光或者綠色激光器來說太重了。這兩類激光器都是使用氣流將熔融的材料吹走,但是氣流產(chǎn)生的能量不足以應(yīng)付這項應(yīng)用。而且,在切割過程中,激光器產(chǎn)生的高能量會燒壞材料的邊緣,造成不能修補的損壞。

　　另一種方法是在藍寶石或者碳化硅晶片上安裝LED元件,然后用鋸條切割LED。由于冷卻過程不夠迅速,所以制造商將HB- LED制造成陣列的形式,在它們上面蓋上銅,然后對材料進行拋光,從而得到一個純的銅晶片,晶片內(nèi)裝有HB-LED,只有發(fā)光表面暴露在銅材料外面。微水刀激光器非常適合將這些裝好的晶片切割開來,因為它們具有獨特的包裝和大量的散熱片,如果使用其他方式加工,很容易就損壞了。

　　目前在許多國家中,人們正開展國家級的發(fā)展計劃,以期擴大LED作為照明手段的應(yīng)用范圍。這些國家包括美國以及亞洲地區(qū)中一些具有很大的技術(shù)發(fā)展?jié)摿Φ膰?如日本、***、韓國和中國。由于燈光照明占了總耗電量的20%,這些發(fā)展計劃旨在大規(guī)模節(jié)約能源,幫助消費者降低耗電成本,通過減少廢氣的排放降低溫室效應(yīng),來改善環(huán)境。然而,在HB-LED照明市場的最大推動力是它們能夠適應(yīng)一些新的應(yīng)用,在這些新應(yīng)用中,有可能傳統(tǒng)照明設(shè)備具有明顯的劣勢,也可能 LED所具有的可靠性以及其他特殊的因素使得傳統(tǒng)設(shè)備無法與之抗衡。隨著HB-LED市場的迅速增長,微水刀激光器的市場也有望快速提高。