【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，藍色、綠色LED 才研制成功。 1996 年由日本 Nichia 即日亞公司成功開發(fā)出白光 LED。 白光 LED 是 LED 家族中最后一個問世的，白光是復(fù)合光，以人類眼睛所能見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）三波長光 , 即藍色光、綠色光與紅色光混合；（ 2）二波長光 , 即黃色光與藍色 光混合。目前已商品化的產(chǎn)品很多是二波長藍色光單晶片加上黃色熒光粉 , 三波長光以無機紫外光單晶片加 B、 G、R 三色熒光粉。由此可見，要想讓 LED 真正應(yīng)用在日常生活中，藍色光 LED 芯片是不可缺少的。 LED 燈箱對白熾燈來說有很多優(yōu)點，主要體現(xiàn)在： 壽命長、抗振性好； 單色性好，色彩鮮艷豐富； 高效率、低能耗； 響應(yīng)時間短； 綠色照明光源； 體積小、重量輕； 平面發(fā)光，方向性強； 單個 LED 的光通量小等。正是由于 LED的這些優(yōu)點，所以越來越受到人們的重視。 LED 低壓閃光燈電路省電、高效、簡單、成 本低、占 PCB 板面積非常小，特別適用于手機、數(shù)碼相機等手持設(shè)備，因此將贏得整個手持設(shè)備和手持影像產(chǎn)品市場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、交通信號燈、打印機、汽車前照燈等方面，因此各國也加強了相關(guān)的研究工作。 LED 產(chǎn)業(yè)規(guī)模發(fā)展非常迅猛，市場潛力非常大，但是它的發(fā)展離不開 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)過程的原因，每個 LED 芯片都是獨一無二的，在光電特性上都有稍許不同，這就要求所有 LED 芯片都要進行測試并根據(jù)其光電特性進行分揀， LED 檢測設(shè)備的作用就在于此 。而對于研發(fā)和生產(chǎn)成本相對較高的藍色 LED 芯片，特別是高亮藍色 LED，更是有很大必要對其實施檢測和分揀，LED 芯片檢測和分揀是 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，國內(nèi)芯片產(chǎn)能目前呈爆發(fā)式增長，檢測和分揀的速度華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 是整個生產(chǎn)流程的瓶頸，而高速 LED 檢測設(shè)備和分揀設(shè)備基本完全依賴進口。因此，開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速 LED 檢測設(shè)備和分揀設(shè)備，對于打破產(chǎn)品壟斷，降低國內(nèi)設(shè)備應(yīng)用的成本，增強企業(yè)競爭力，突破產(chǎn)能瓶頸，都有非常重要的意義。由此可以看出，對 LED 芯片的高速檢測設(shè)備進行設(shè)計是非常必 要的，所以高速 LED 檢測機是不缺少市場的。 隨著國家照明工程的起步，國內(nèi) LED 芯片設(shè)備的巨大需求再次引起了國外 LED 設(shè)備生產(chǎn)商的積極響應(yīng)，他們?nèi)找嬷匾曋袊鴩鴥?nèi)這個巨大的市場。但是，在這里面也存在著一個隱憂，國外芯片設(shè)備的價格昂貴，相對制約了國內(nèi)企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展，也消耗了國家寶貴的外匯資金，同樣減小了國內(nèi)設(shè)備生產(chǎn)商的發(fā)展空間。 同時， 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，這也阻礙了國內(nèi) LED 芯片設(shè)備的研發(fā)。中國的 LED 產(chǎn)業(yè)需要包括設(shè)備制造企業(yè)、 LED 生產(chǎn)企 業(yè)以及國家等多方面的努力，才可以迅速地成長起來，并在國際大環(huán)境中占有自己的一席之地。 國內(nèi)外研究概況 日本是 LED 產(chǎn)業(yè)的大國和起源國，其 LED 產(chǎn)業(yè)發(fā)展較早且擁有較多的相關(guān)知識產(chǎn)權(quán)。日本、東芝、夏普、索尼、日亞昭和等企業(yè)最早進入 LED 研究領(lǐng)域，至今上游芯片及白光、藍光 LED 制造技術(shù)專利仍然大多為日本掌握。 對于歐洲來說，雖沒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，美國的 LED 研究也較早起步，主要有 HP， CREE， GE 等公司，我國臺灣地區(qū)也有如光寶、晶元光電和億 光等公司緊隨這些國際大公司之后。 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題。 LED 的優(yōu)勢是不言而喻的，在當(dāng)前全球能源緊張的情況下，發(fā)展 LED 是節(jié)能的一個很有效的途徑。 世界多個國家和地區(qū)都提出了自己的 LED 推廣工程計劃，見下表 11。僅 LED 景觀燈一項就可以在我國帶來 30005000 億人民幣的產(chǎn)值。有鑒于此，各國都針對自己的LED 產(chǎn)業(yè)提出了相應(yīng)的振興計劃和扶持政策，以期望在這一新興領(lǐng)域占據(jù)一席之地。 在我國，在 2020 年 6 月 17 日，國家科技部聯(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)合成立了國家半導(dǎo)體照明工程協(xié)調(diào)領(lǐng)導(dǎo)小組，正式啟動 “ 國家半導(dǎo)體照明工程 ” 。各地政府也紛紛出臺了相應(yīng)的扶持政策和措施。如東莞市決定，采用國產(chǎn)LED 測試和分揀設(shè)備的廠家，在采購時政府給予 60%的資金補貼，由此可見，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)檢測設(shè)備的需求大幅度提升。通過近幾年的發(fā)展，我國 LED 檢測設(shè)備的國產(chǎn)化已有了很大的提高，部分設(shè)備的技術(shù)甚至達到了國際領(lǐng)先水平。我國半導(dǎo)體照明 LED 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、檢測設(shè)備的發(fā)展，將有力推動 LED華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（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，也為 中國在 LED 應(yīng)用產(chǎn)品的自主創(chuàng)新和走向國際市場提供重要的支撐。 表 11 世界各國的半導(dǎo)體照明計劃 國家 時間 項目名稱 項目預(yù)期目標(biāo) 預(yù)計效益 日本 1998年 21世紀(jì)光計劃 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 2020年 國家半導(dǎo)體照明計劃 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，每年減少 CO2，形成500億美元的大產(chǎn)業(yè)。 韓國 2020年 固態(tài)照明計劃 2020～ 2020年國家投入 1億美元，企業(yè) 只 提供 30%的配套資金，預(yù)期 2020年達到 80lm/W 歐洲 2020年 彩虹計劃 通過歐 州 共體的補助金推廣 LED的應(yīng)用 通過應(yīng)用半導(dǎo)體照明實現(xiàn)節(jié)能、高效、不使用有害環(huán)境的材料、 來 模擬自然光的目標(biāo) 中國臺灣 2020年 次世紀(jì)照明光源開發(fā)計劃 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 中國大陸 2020年 國家半導(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達到150～ 200lm/W， 15元/klm。技術(shù)形成自主知識產(chǎn)權(quán) 。 建立半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)，全面進入通入照明市場占有 30～50%的市場份額，實現(xiàn)節(jié)電30%以上，年照明節(jié)電 1000億 kw?h以上 我國大陸 LED 芯片研究起步較晚，國內(nèi)的主要研究機構(gòu)有廈門大學(xué)物理系、中科院長春物理所、中國電子科技集團公司第 13 所以及華中科技大學(xué)等幾個高校、研究所開展研究工作。規(guī)模較大，實力力較強的 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 LED 產(chǎn)業(yè)主要在紅黃光、藍光、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。這一項目屬于國際前沿的研究項目?，F(xiàn)階華中科技大學(xué)文華學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 段中國 LED 產(chǎn)業(yè)，從事該產(chǎn)業(yè)的人數(shù)達 5 萬多人，研究機構(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。國家科技部也將 “ 國家半導(dǎo)體照明工程 ” 列入 “ 十一五 ” 科技發(fā)展計劃。在 LED 上游外延片生產(chǎn)上，日本、美國、歐盟仍擁有巨大的技術(shù)優(yōu)勢，而中國臺灣則已經(jīng)成為全球重要的 LED 生產(chǎn)基地。國內(nèi)只有研究機構(gòu)或少數(shù)院校等在外延片方面進行研究 ，但是國內(nèi)龐大的應(yīng)用需求，給 LED 下游廠商帶來巨大的發(fā)展機會，國內(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、歐盟等國家和地區(qū)。 國際上由于 LED 產(chǎn)業(yè)起步較早，有關(guān) LED 芯片檢測分揀的設(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光學(xué)檢測儀，包括至少兩種不同光譜范圍的LED 材料檢測，并可以通過檢測信號并放大后予以選擇，可以算是早期的 LED 分揀檢測設(shè)備。當(dāng)前市面上主流的 LED 芯片檢測分揀設(shè)備廠商主要有日本 OPTO System 公司、香港 ASM 公司及臺灣長洛精儀公司。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，國內(nèi)只有針對 LED 成品進行分類分揀的設(shè)備，而沒有針對LED 芯片的分揀設(shè)備。目前國外經(jīng)過分揀的 LED 每只利潤增加 1 分人民幣，國內(nèi)年生產(chǎn) LED 管 200 億只，如果有一半 LED 經(jīng)過分揀，增加利潤近一億元。在國內(nèi)高校，華中科技大學(xué)、浙江大學(xué)等一些國家重點院校，利用學(xué)科優(yōu)勢，積極開展針對 LED 產(chǎn)業(yè)的研究工作。其中，浙江大學(xué)現(xiàn)代光學(xué)儀器國家重點實驗室在 LED 光學(xué)參數(shù)測試上擁有比較豐富的經(jīng)驗，并逐步涉足研究 LED 單管的分揀設(shè)備，便攜式 LED 單管 分譜檢測儀就是其中一個較為成熟的產(chǎn)品。它主要由可調(diào)恒流源、光學(xué)系統(tǒng)、探測系統(tǒng)、采樣系統(tǒng)和 PC 機主控系統(tǒng)構(gòu)成。該儀器能夠快速測量 LED 單管的波長，并根據(jù)波長進行篩選分類。但是，這種 LED 單管的分揀沒有實現(xiàn)自動化，分揀速度不高，不能夠適應(yīng) LED產(chǎn)業(yè)化的要求。 本文主要研究內(nèi)容 本次畢業(yè)設(shè)計主要 以高速 LED 檢測設(shè)備為對象， 對 LED 芯片光電參數(shù)進行檢測，且實現(xiàn)高速檢測，達到或超過國內(nèi)外設(shè)備的檢測速度而設(shè)計。 LED 檢測設(shè)備包括光學(xué)、機械、電控和計算機四部分，本文對其機械結(jié)構(gòu)部分進行設(shè)計，包括機架、四維運動平臺、上部結(jié) 構(gòu)、探針臺四部分組成。檢測機上主要完成是設(shè)計高速高精確二維移動平臺，高精確旋轉(zhuǎn)臺，高精確升降平臺，探針裝置，機體結(jié)構(gòu)等工作。 研究其原理進行設(shè)備方案的選擇，提出設(shè)計方案，選用 絲杠導(dǎo)軌機構(gòu) 對 DHLP320 型 LED 檢測機 的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，使用 Pro/E 對設(shè)計的零件進行整機三維建模進行干涉檢查。 實現(xiàn)以上內(nèi)容要求我們熟練掌握和運用所學(xué)過的知識，對我們進一步鞏固和加強專業(yè)知識和培養(yǎng)專業(yè)技能有很重要的實踐意義。 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（論文） 5 ① 分析 LED 的發(fā)展現(xiàn)狀和市場前景，國內(nèi)外 高速 LED 檢測設(shè)備的 研究概況； ② 研究 LED 芯片檢測的原理、檢測設(shè)備的功能需求、基本組成以及工作過程 ； ③ 對 DHLP320 型 LED 檢測機 的機械結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，包括對 XY 運動平臺、旋轉(zhuǎn)工作臺、 Z 向工作臺、上部平臺、探針臺的設(shè)計，主要對關(guān)鍵部位高速高精度 XY 運動平臺的設(shè)計，分析比較選用 絲杠導(dǎo)軌機構(gòu)實現(xiàn) XY 二維運動， 根據(jù)使用要求對絲桿螺母、導(dǎo)軌、電機等進行計算與選型 ； ④ 使用 Pro/E 對設(shè)計的零件進行整機三維建模進行干涉檢查，檢驗設(shè)計結(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（論文） 6 2 LED 芯片檢測原理和設(shè)備方案的選擇 LED 芯片檢測的原理 在 LED 芯片的實際應(yīng)用中，對其光電的一致性要求很高，尤其是用于陣列顯示的場合，必須保證各個象素的配色正確，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。不同的峰值波長反應(yīng)到人眼中的色差感覺也不同，由于半導(dǎo)體芯片制造工藝的限制，當(dāng)前生產(chǎn)出來的 LED 芯片存在著光電參數(shù)不一致現(xiàn)象，其色差通過肉眼即可分辨，即使是同一品牌同一批次的 LED 亮度差值可達一倍以上，因此對 LED 芯片光電參數(shù)進行檢測，為分揀提供數(shù)據(jù)就是 LED 芯片檢測設(shè)備的主要功 能需求。 芯片檢測的目標(biāo)是對芯片進行表面檢測和光電檢測，按照用戶需求實現(xiàn)晶圓片的完整 mapping 圖輸出。其原理是通過視覺系統(tǒng)對芯片盤上的芯片進行掃描，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 LED 芯片電極進行接觸并加正向電壓點亮，通過光參探頭和亮度探頭探測其光電參數(shù)并計入計算機。芯片盤上全部芯片檢測完后輸出完整的檢測圖像和分級數(shù)據(jù)，為芯片的分揀做準(zhǔn)備。 LED 檢測設(shè)備的功能需求 檢測的基本要求：在掃描區(qū)內(nèi)對芯片盤進行視覺掃描。在測試區(qū)內(nèi)對 LED 芯片夾緊并觸發(fā)發(fā)光。利用 LED 測試裝置測試光強 和波長。 檢測的具體要求： LED 檢測是通過對 LED 芯片通電致發(fā)光，對 LED 芯片的光電參數(shù)進行檢測，獲得芯片等級劃分所需的信息。 LED 芯片上有正負(fù)兩個電極，給 LED 芯片加正向電壓 LED 芯片點亮， LED 芯片的伏安特性可以通過測量 LED 正向?qū)妷韩@知。芯片的電壓和電流是通過探針和芯片的正負(fù)電極接觸而獲得的，需要兩根探針分別接觸芯片的正負(fù)兩極，探針固定在探針座上并通過電路板與電源連接。檢測設(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 芯片的檢測需要探針和電極精確的定位，在視覺圖像檢測的基礎(chǔ)上實現(xiàn)對 LED芯片的精確