【正文】 在光通信光源調(diào)制、照明和指示燈、等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。 早在 1964 年就研發(fā)出紅光 LED，之后出現(xiàn)黃光 LED。直到 1994 年，藍(lán)色、綠色LED 才研制成功。 1996 年由日本 Nichia 即日亞公司成功開(kāi)發(fā)出白光 LED。 白光 LED 是 LED 家族中最后一個(gè)問(wèn)世的，白光是復(fù)合光，以人類眼睛所能見(jiàn)的白光形式至少需要兩種以上的光混合。一般有下列兩種混合方式：（ 1）三波長(zhǎng)光 , 即藍(lán)色光、綠色光與紅色光混合；（ 2）二波長(zhǎng)光 , 即黃色光與藍(lán)色 光混合。目前已商品化的產(chǎn)品很多是二波長(zhǎng)藍(lán)色光單晶片加上黃色熒光粉 , 三波長(zhǎng)光以無(wú)機(jī)紫外光單晶片加 B、 G、R 三色熒光粉。由此可見(jiàn)，要想讓 LED 真正應(yīng)用在日常生活中，藍(lán)色光 LED 芯片是不可缺少的。 LED 燈箱對(duì)白熾燈來(lái)說(shuō)有很多優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在： 壽命長(zhǎng)、抗振性好； 單色性好，色彩鮮艷豐富； 高效率、低能耗； 響應(yīng)時(shí)間短； 綠色照明光源； 體積小、重量輕； 平面發(fā)光，方向性強(qiáng)； 單個(gè) LED 的光通量小等。正是由于 LED的這些優(yōu)點(diǎn)，所以越來(lái)越受到人們的重視。 LED 低壓閃光燈電路省電、高效、簡(jiǎn)單、成 本低、占 PCB 板面積非常小，特別適用于手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)等手持設(shè)備，因此將贏得整個(gè)手持設(shè)備和手持影像產(chǎn)品市場(chǎng)的青睞以及大屏幕彩色顯示、路燈、多媒體顯像、醫(yī)療設(shè)備、交通信號(hào)燈、打印機(jī)、汽車前照燈等方面，因此各國(guó)也加強(qiáng)了相關(guān)的研究工作。 LED 產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展非常迅猛，市場(chǎng)潛力非常大，但是它的發(fā)展離不開(kāi) LED 裝備業(yè)的發(fā)展作為支撐。而 LED 行業(yè)又有它的特殊性，由于生產(chǎn)過(guò)程的原因，每個(gè) LED 芯片都是獨(dú)一無(wú)二的，在光電特性上都有稍許不同，這就要求所有 LED 芯片都要進(jìn)行測(cè)試并根據(jù)其光電特性進(jìn)行分揀， LED 檢測(cè)設(shè)備的作用就在于此 。而對(duì)于研發(fā)和生產(chǎn)成本相對(duì)較高的藍(lán)色 LED 芯片，特別是高亮藍(lán)色 LED，更是有很大必要對(duì)其實(shí)施檢測(cè)和分揀，LED 芯片檢測(cè)和分揀是 LED 芯片生產(chǎn)流程中不可缺少的部分。 隨著 LED 照明產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)芯片產(chǎn)能目前呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，檢測(cè)和分揀的速度華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 是整個(gè)生產(chǎn)流程的瓶頸，而高速 LED 檢測(cè)設(shè)備和分揀設(shè)備基本完全依賴進(jìn)口。因此，開(kāi)發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速 LED 檢測(cè)設(shè)備和分揀設(shè)備，對(duì)于打破產(chǎn)品壟斷，降低國(guó)內(nèi)設(shè)備應(yīng)用的成本，增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，突破產(chǎn)能瓶頸，都有非常重要的意義。由此可以看出，對(duì) LED 芯片的高速檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行設(shè)計(jì)是非常必 要的，所以高速 LED 檢測(cè)機(jī)是不缺少市場(chǎng)的。 隨著國(guó)家照明工程的起步，國(guó)內(nèi) LED 芯片設(shè)備的巨大需求再次引起了國(guó)外 LED 設(shè)備生產(chǎn)商的積極響應(yīng)，他們?nèi)找嬷匾曋袊?guó)國(guó)內(nèi)這個(gè)巨大的市場(chǎng)。但是，在這里面也存在著一個(gè)隱憂，國(guó)外芯片設(shè)備的價(jià)格昂貴，相對(duì)制約了國(guó)內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展，也消耗了國(guó)家寶貴的外匯資金，同樣減小了國(guó)內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)商的發(fā)展空間。 同時(shí)， LED 行業(yè)屬于高精尖技術(shù)行業(yè)，與 LED 芯片相關(guān)的設(shè)備都有很高的性能要求和加工要求，這也阻礙了國(guó)內(nèi) LED 芯片設(shè)備的研發(fā)。中國(guó)的 LED 產(chǎn)業(yè)需要包括設(shè)備制造企業(yè)、 LED 生產(chǎn)企 業(yè)以及國(guó)家等多方面的努力，才可以迅速地成長(zhǎng)起來(lái)，并在國(guó)際大環(huán)境中占有自己的一席之地。 國(guó)內(nèi)外研究概況 日本是 LED 產(chǎn)業(yè)的大國(guó)和起源國(guó)，其 LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早且擁有較多的相關(guān)知識(shí)產(chǎn)權(quán)。日本、東芝、夏普、索尼、日亞昭和等企業(yè)最早進(jìn)入 LED 研究領(lǐng)域，至今上游芯片及白光、藍(lán)光 LED 制造技術(shù)專利仍然大多為日本掌握。 對(duì)于歐洲來(lái)說(shuō)，雖沒(méi)有較多資料顯示其研究情況，但像 Osram， Philips 等大公司也投入到 LED 產(chǎn)業(yè)研究中，美國(guó)的 LED 研究也較早起步，主要有 HP， CREE， GE 等公司，我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)也有如光寶、晶元光電和億 光等公司緊隨這些國(guó)際大公司之后。 LED 產(chǎn)業(yè)被認(rèn)為即將引發(fā)第三次照明革命，并能解決環(huán)境污染和全球性的能源短缺問(wèn)題。 LED 的優(yōu)勢(shì)是不言而喻的，在當(dāng)前全球能源緊張的情況下，發(fā)展 LED 是節(jié)能的一個(gè)很有效的途徑。 世界多個(gè)國(guó)家和地區(qū)都提出了自己的 LED 推廣工程計(jì)劃，見(jiàn)下表 11。僅 LED 景觀燈一項(xiàng)就可以在我國(guó)帶來(lái) 30005000 億人民幣的產(chǎn)值。有鑒于此，各國(guó)都針對(duì)自己的LED 產(chǎn)業(yè)提出了相應(yīng)的振興計(jì)劃和扶持政策，以期望在這一新興領(lǐng)域占據(jù)一席之地。 在我國(guó)，在 2020 年 6 月 17 日，國(guó)家科技部聯(lián)合信息產(chǎn)業(yè)部、教育部等部 門以及北京、上海等地區(qū)聯(lián)合成立了國(guó)家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組，正式啟動(dòng) “ 國(guó)家半導(dǎo)體照明工程 ” 。各地政府也紛紛出臺(tái)了相應(yīng)的扶持政策和措施。如東莞市決定，采用國(guó)產(chǎn)LED 測(cè)試和分揀設(shè)備的廠家，在采購(gòu)時(shí)政府給予 60%的資金補(bǔ)貼，由此可見(jiàn)，政府的支持力度是相當(dāng)大的。隨著 LED 產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，相關(guān)檢測(cè)設(shè)備的需求大幅度提升。通過(guò)近幾年的發(fā)展，我國(guó) LED 檢測(cè)設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化已有了很大的提高，部分設(shè)備的技術(shù)甚至達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。我國(guó)半導(dǎo)體照明 LED 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展，將有力推動(dòng) LED華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 應(yīng)用產(chǎn)品的技術(shù)提升和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。同時(shí)，也為 中國(guó)在 LED 應(yīng)用產(chǎn)品的自主創(chuàng)新和走向國(guó)際市場(chǎng)提供重要的支撐。 表 11 世界各國(guó)的半導(dǎo)體照明計(jì)劃 國(guó)家 時(shí)間 項(xiàng)目名稱 項(xiàng)目預(yù)期目標(biāo) 預(yù)計(jì)效益 日本 1998年 21世紀(jì)光計(jì)劃 到 2020年 50%的傳統(tǒng)照明被白光 LED取代 可減少 1～ 2座核電廠 的 發(fā)電量，每年節(jié)省 10億噸 L以上的原油消耗。 美國(guó) 2020年 國(guó)家半導(dǎo)體照明計(jì)劃 到 2020年 55%的白熾燈和熒光燈被白光LED取代 每年節(jié) 約 350億美元電費(fèi)，每年減少 CO2，形成500億美元的大產(chǎn)業(yè)。 韓國(guó) 2020年 固態(tài)照明計(jì)劃 2020～ 2020年國(guó)家投入 1億美元，企業(yè) 只 提供 30%的配套資金，預(yù)期 2020年達(dá)到 80lm/W 歐洲 2020年 彩虹計(jì)劃 通過(guò)歐 州 共體的補(bǔ)助金推廣 LED的應(yīng)用 通過(guò)應(yīng)用半導(dǎo)體照明實(shí)現(xiàn)節(jié)能、高效、不使用有害環(huán)境的材料、 來(lái) 模擬自然光的目標(biāo) 中國(guó)臺(tái)灣 2020年 次世紀(jì)照明光源開(kāi)發(fā)計(jì)劃 以白光 LED取代 100%的熒光燈和 25%的白熾燈 每年節(jié)省 110億 kw?h，相當(dāng)于一座核電站的發(fā)電量 中國(guó)大陸 2020年 國(guó)家半導(dǎo)體照明工程 2020～ 2020年，投資50～ 100億元發(fā)展半導(dǎo)體照明， LED達(dá)到150～ 200lm/W， 15元/klm。技術(shù)形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán) 。 建立半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，全面進(jìn)入通入照明市場(chǎng)占有 30～50%的市場(chǎng)份額，實(shí)現(xiàn)節(jié)電30%以上，年照明節(jié)電 1000億 kw?h以上 我國(guó)大陸 LED 芯片研究起步較晚，國(guó)內(nèi)的主要研究機(jī)構(gòu)有廈門大學(xué)物理系、中科院長(zhǎng)春物理所、中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第 13 所以及華中科技大學(xué)等幾個(gè)高校、研究所開(kāi)展研究工作。規(guī)模較大，實(shí)力力較強(qiáng)的 LED 芯片生產(chǎn)企業(yè)主要有：廈門三安、西安中為、香港曾明利、杭州士蘭明芯、湖南華磊等。在技術(shù)上，我國(guó) LED 產(chǎn)業(yè)主要在紅黃光、藍(lán)光、紫外光方面有研究成果， 2020 年 4 月南昌大學(xué)成功研制出紫外發(fā)光二極管，該發(fā)光二極管光輸出功率大于等于 500μ W。這一項(xiàng)目屬于國(guó)際前沿的研究項(xiàng)目。現(xiàn)階華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 段中國(guó) LED 產(chǎn)業(yè)，從事該產(chǎn)業(yè)的人數(shù)達(dá) 5 萬(wàn)多人，研究機(jī)構(gòu) 20 多家，企業(yè) 4000 多家，其中上游企業(yè) 50 余家，封裝企業(yè) 1000 余家，下游應(yīng)用企業(yè) 3000 余家。國(guó)家科技部也將 “ 國(guó)家半導(dǎo)體照明工程 ” 列入 “ 十一五 ” 科技發(fā)展計(jì)劃。在 LED 上游外延片生產(chǎn)上，日本、美國(guó)、歐盟仍擁有巨大的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，而中國(guó)臺(tái)灣則已經(jīng)成為全球重要的 LED 生產(chǎn)基地。國(guó)內(nèi)只有研究機(jī)構(gòu)或少數(shù)院校等在外延片方面進(jìn)行研究 ，但是國(guó)內(nèi)龐大的應(yīng)用需求，給 LED 下游廠商帶來(lái)巨大的發(fā)展機(jī)會(huì)，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的如景觀照明燈具、顯示屏等LED 應(yīng)用產(chǎn)品已經(jīng)出口到美國(guó)、歐盟等國(guó)家和地區(qū)。 國(guó)際上由于 LED 產(chǎn)業(yè)起步較早，有關(guān) LED 芯片檢測(cè)分揀的設(shè)備的研究也較早。佐竹與 1996 年就發(fā)明了一種多色的分揀機(jī)光學(xué)檢測(cè)儀，包括至少兩種不同光譜范圍的LED 材料檢測(cè)，并可以通過(guò)檢測(cè)信號(hào)并放大后予以選擇，可以算是早期的 LED 分揀檢測(cè)設(shè)備。當(dāng)前市面上主流的 LED 芯片檢測(cè)分揀設(shè)備廠商主要有日本 OPTO System 公司、香港 ASM 公司及臺(tái)灣長(zhǎng)洛精儀公司。日本 Opto System 公司推出其系列化產(chǎn)品較早，但其產(chǎn)品較少。 在紅火的 LED 產(chǎn)業(yè)中，國(guó)內(nèi)只有針對(duì) LED 成品進(jìn)行分類分揀的設(shè)備，而沒(méi)有針對(duì)LED 芯片的分揀設(shè)備。目前國(guó)外經(jīng)過(guò)分揀的 LED 每只利潤(rùn)增加 1 分人民幣，國(guó)內(nèi)年生產(chǎn) LED 管 200 億只，如果有一半 LED 經(jīng)過(guò)分揀，增加利潤(rùn)近一億元。在國(guó)內(nèi)高校，華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)等一些國(guó)家重點(diǎn)院校，利用學(xué)科優(yōu)勢(shì)，積極開(kāi)展針對(duì) LED 產(chǎn)業(yè)的研究工作。其中，浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在 LED 光學(xué)參數(shù)測(cè)試上擁有比較豐富的經(jīng)驗(yàn)，并逐步涉足研究 LED 單管的分揀設(shè)備，便攜式 LED 單管 分譜檢測(cè)儀就是其中一個(gè)較為成熟的產(chǎn)品。它主要由可調(diào)恒流源、光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)和 PC 機(jī)主控系統(tǒng)構(gòu)成。該儀器能夠快速測(cè)量 LED 單管的波長(zhǎng)，并根據(jù)波長(zhǎng)進(jìn)行篩選分類。但是，這種 LED 單管的分揀沒(méi)有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，分揀速度不高，不能夠適應(yīng) LED產(chǎn)業(yè)化的要求。 本文主要研究?jī)?nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要 以高速 LED 檢測(cè)設(shè)備為對(duì)象， 對(duì) LED 芯片光電參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，且實(shí)現(xiàn)高速檢測(cè)，達(dá)到或超過(guò)國(guó)內(nèi)外設(shè)備的檢測(cè)速度而設(shè)計(jì)。 LED 檢測(cè)設(shè)備包括光學(xué)、機(jī)械、電控和計(jì)算機(jī)四部分，本文對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括機(jī)架、四維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、上部結(jié) 構(gòu)、探針臺(tái)四部分組成。檢測(cè)機(jī)上主要完成是設(shè)計(jì)高速高精確二維移動(dòng)平臺(tái)，高精確旋轉(zhuǎn)臺(tái)，高精確升降平臺(tái)，探針裝置，機(jī)體結(jié)構(gòu)等工作。 研究其原理進(jìn)行設(shè)備方案的選擇，提出設(shè)計(jì)方案，選用 絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu) 對(duì) DHLP320 型 LED 檢測(cè)機(jī) 的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用 Pro/E 對(duì)設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行整機(jī)三維建模進(jìn)行干涉檢查。 實(shí)現(xiàn)以上內(nèi)容要求我們熟練掌握和運(yùn)用所學(xué)過(guò)的知識(shí)，對(duì)我們進(jìn)一步鞏固和加強(qiáng)專業(yè)知識(shí)和培養(yǎng)專業(yè)技能有很重要的實(shí)踐意義。 具體內(nèi)容如下： 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 ① 分析 LED 的發(fā)展現(xiàn)狀和市場(chǎng)前景，國(guó)內(nèi)外 高速 LED 檢測(cè)設(shè)備的 研究概況； ② 研究 LED 芯片檢測(cè)的原理、檢測(cè)設(shè)備的功能需求、基本組成以及工作過(guò)程 ； ③ 對(duì) DHLP320 型 LED 檢測(cè)機(jī) 的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括對(duì) XY 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、 Z 向工作臺(tái)、上部平臺(tái)、探針臺(tái)的設(shè)計(jì)，主要對(duì)關(guān)鍵部位高速高精度 XY 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，分析比較選用 絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn) XY 二維運(yùn)動(dòng)， 根據(jù)使用要求對(duì)絲桿螺母、導(dǎo)軌、電機(jī)等進(jìn)行計(jì)算與選型 ； ④ 使用 Pro/E 對(duì)設(shè)計(jì)的零件進(jìn)行整機(jī)三維建模進(jìn)行干涉檢查，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) 的合理性 。 華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 2 LED 芯片檢測(cè)原理和設(shè)備方案的選擇 LED 芯片檢測(cè)的原理 在 LED 芯片的實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)其光電的一致性要求很高，尤其是用于陣列顯示的場(chǎng)合，必須保證各個(gè)象素的配色正確，而且還要保證各像素顏色的一致性，才能保證最終色彩還原。不同的峰值波長(zhǎng)反應(yīng)到人眼中的色差感覺(jué)也不同，由于半導(dǎo)體芯片制造工藝的限制，當(dāng)前生產(chǎn)出來(lái)的 LED 芯片存在著光電參數(shù)不一致現(xiàn)象，其色差通過(guò)肉眼即可分辨，即使是同一品牌同一批次的 LED 亮度差值可達(dá)一倍以上，因此對(duì) LED 芯片光電參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，為分揀提供數(shù)據(jù)就是 LED 芯片檢測(cè)設(shè)備的主要功 能需求。 芯片檢測(cè)的目標(biāo)是對(duì)芯片進(jìn)行表面檢測(cè)和光電檢測(cè)，按照用戶需求實(shí)現(xiàn)晶圓片的完整 mapping 圖輸出。其原理是通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)芯片盤上的芯片進(jìn)行掃描，記錄其正常芯片數(shù)量、排列狀態(tài)、分布和位置等；再使用探針對(duì) LED 芯片電極進(jìn)行接觸并加正向電壓點(diǎn)亮，通過(guò)光參探頭和亮度探頭探測(cè)其光電參數(shù)并計(jì)入計(jì)算機(jī)。芯片盤上全部芯片檢測(cè)完后輸出完整的檢測(cè)圖像和分級(jí)數(shù)據(jù)，為芯片的分揀做準(zhǔn)備。 LED 檢測(cè)設(shè)備的功能需求 檢測(cè)的基本要求：在掃描區(qū)內(nèi)對(duì)芯片盤進(jìn)行視覺(jué)掃描。在測(cè)試區(qū)內(nèi)對(duì) LED 芯片夾緊并觸發(fā)發(fā)光。利用 LED 測(cè)試裝置測(cè)試光強(qiáng) 和波長(zhǎng)。 檢測(cè)的具體要求： LED 檢測(cè)是通過(guò)對(duì) LED 芯片通電致發(fā)光，對(duì) LED 芯片的光電參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)，獲得芯片等級(jí)劃分所需的信息。 LED 芯片上有正負(fù)兩個(gè)電極，給 LED 芯片加正向電壓 LED 芯片點(diǎn)亮， LED 芯片的伏安特性可以通過(guò)測(cè)量 LED 正向?qū)妷韩@知。芯片的電壓和電流是通過(guò)探針和芯片的正負(fù)電極接觸而獲得的，需要兩根探針?lè)謩e接觸芯片的正負(fù)兩極，探針固定在探針座上并通過(guò)電路板與電源連接。檢測(cè)設(shè)備的成功關(guān)鍵在于探針接觸電極的定位精度和速度上。 LED 芯片的檢測(cè)需要探針和電極精確的定位，在視覺(jué)圖像檢測(cè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì) LED芯片的精確