【正文】 家半導(dǎo)體照明工程2006～2020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，2001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500μW。這一項(xiàng)目屬于國(guó)際前沿的研究項(xiàng)目?，F(xiàn)階段中國(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：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。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，需要兩根探針分別接觸芯片的正負(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，在視覺圖像檢測(cè)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對(duì)LED芯片的精確定位，從而保證探針和LED芯片電極的緊密接觸，完成檢測(cè)要求。另外，本設(shè)備還有一個(gè)檢測(cè)速度要求，即實(shí)現(xiàn)高速檢測(cè)，目前國(guó)內(nèi)外使用的設(shè)備大部分為4～6顆，本設(shè)備也是為達(dá)到或超過(guò)這個(gè)速度而設(shè)計(jì)。所以本設(shè)備的速度設(shè)定為20K，即每小時(shí)20,000顆每秒鐘6～8顆。 LED檢測(cè)設(shè)備的組成LED檢測(cè)機(jī)包括光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)四部分：光學(xué)部分：包括LED芯片發(fā)光的光學(xué)參數(shù)的快速采集，光強(qiáng)測(cè)量，波長(zhǎng)的測(cè)量，圖像采集所需要的照明光源等。機(jī)械部分：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；在分揀機(jī)上主要完成是加工兩套高精確二維平移平臺(tái)，高精確轉(zhuǎn)臺(tái)，擺臂分揀裝置，頂針裝置等工作。電控部分：包括用恒流源與恒壓源驅(qū)動(dòng)芯片的智能程控電路，步進(jìn)與伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，探針運(yùn)動(dòng)，系統(tǒng)的各種繼電器、光電門、氣閻等的控制，與計(jì)算機(jī)的接口等，測(cè)量和控制探針、精密移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。計(jì)算機(jī)部分：在LED檢測(cè)設(shè)備上主要完成是對(duì)芯片進(jìn)行圖像獲取及識(shí)別、芯片外觀檢測(cè)與精確定位，參考芯片確定，控制系統(tǒng)移動(dòng)臺(tái)與探針的運(yùn)動(dòng)，芯片的光電特性分析處理，對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行分類處理、保存等工作。 檢測(cè)設(shè)備工作過(guò)程根據(jù)上述的檢測(cè)要求和設(shè)備組成，檢測(cè)設(shè)備工作過(guò)程為：首先把芯片盤使用真空吸附，真空吸附的目的在于防止在高速工作時(shí)芯片盤抖動(dòng)和在探針點(diǎn)亮LED芯片時(shí)把芯片盤損壞；第二步，對(duì)正，芯片在芯片盤上大部分是同向整齊排列的，對(duì)正是通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)真空吸盤旋轉(zhuǎn)，使絕大部分芯片的XY方向和設(shè)備XY行走方向?qū)φ阌趻呙韬透咚贆z測(cè)；第三步，掃描，設(shè)備XY兩個(gè)方向的行走，通過(guò)視覺系統(tǒng)對(duì)芯片盤進(jìn)行掃描工作；第四步，調(diào)探針，在視覺系統(tǒng)下將兩個(gè)探針和基準(zhǔn)芯片的兩極接觸，使電路導(dǎo)通；第五步，檢測(cè)，對(duì)外觀正常的芯片進(jìn)行檢測(cè)，并把數(shù)據(jù)記錄到計(jì)算機(jī)，為L(zhǎng)ED芯片的分揀準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。3 DHLP320型LED檢測(cè)機(jī)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)DHLP320型LED檢測(cè)機(jī)是本次設(shè)計(jì)LED檢測(cè)設(shè)備具體的型號(hào)。DH代表公司，LLED，P檢測(cè)，3三層晶元，20速度20K/h。LED檢測(cè)機(jī)結(jié)構(gòu)部分包括機(jī)架、四軸平臺(tái)、上部結(jié)構(gòu)、探針臺(tái)四部分組成。機(jī)架：機(jī)架是LED檢測(cè)設(shè)備各部分的安裝平臺(tái)，也是最基本的結(jié)構(gòu)。其包括骨架，由方鋼管焊接組成，骨架是機(jī)架的主體結(jié)構(gòu)，其作用主要作為整部機(jī)器的支撐；下層安裝板，是地面和機(jī)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的一個(gè)分離；中層安裝板，主要作為高精度XY平臺(tái)的安裝；上層安裝板，主要作為上部結(jié)構(gòu)和探針臺(tái)的安裝板；電氣安裝板，安裝電氣設(shè)備；工控機(jī)固定板，安裝工控機(jī)光源等；氣動(dòng)設(shè)備固定板，固定氣壓表等。四軸平臺(tái)：所謂四軸平臺(tái)是X、Y、Z、θ四軸，包括高精度XY移動(dòng)平臺(tái)、高精度旋轉(zhuǎn)平臺(tái)、升降平臺(tái)。高精度XY微動(dòng)平臺(tái)，其主要功能是提供X方向和Y方向的高速高精度的移動(dòng)，其包括X向和Y向的移動(dòng)平臺(tái)，在上層裝有旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的安裝板；旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，提供正負(fù)15176。的旋轉(zhuǎn)以便將芯片方向和XY平臺(tái)方向?qū)φ?；升降平臺(tái)，提供0～5mm的快速升降運(yùn)動(dòng)。上部結(jié)構(gòu)：包括掃描鏡頭的固定結(jié)構(gòu)、調(diào)探針鏡頭的固定結(jié)構(gòu)、光纖探頭和亮度探頭的固定。另外需要實(shí)現(xiàn)光纖探頭和亮度探頭的U向的移動(dòng)。探針臺(tái)：探針臺(tái)的主要作用是接觸LED芯片兩極，導(dǎo)通電路，點(diǎn)亮LED芯片，其需要三向調(diào)整結(jié)構(gòu)，為了不損壞LED芯片，其應(yīng)該有緩沖彈簧，避免壓力過(guò)大損毀芯片。 XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是機(jī)械結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部位，如圖332。主要是用來(lái)承載芯片并通過(guò)精確定位實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片光電參數(shù)的檢測(cè)。運(yùn)動(dòng)平臺(tái)包括四個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，分別是：X，Y，Z，θ(旋轉(zhuǎn))方向。由于芯片盤安裝誤差，肯定會(huì)造成芯片排列線與XY方向不平行導(dǎo)致掃描和檢測(cè)時(shí)的困難。此時(shí)，就要依靠中間的θ工作臺(tái)進(jìn)行微小調(diào)整，以達(dá)到平行的要求，這樣才能夠準(zhǔn)確地使探針和電極的接觸提供一個(gè)最基本的前提。Z方向的運(yùn)動(dòng)是給芯片盤提供向上的運(yùn)動(dòng)，以使芯片電極和固定的探針接觸導(dǎo)通電路。XY運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的二維運(yùn)動(dòng)則是提供給測(cè)試工作臺(tái)進(jìn)行平移，將下一顆芯片送到工位，實(shí)現(xiàn)測(cè)試工作的順序進(jìn)行。圖31 視覺系統(tǒng)下的芯片圖32 直徑為150mm的芯片盤（大約有4萬(wàn)顆芯片） 方案論證方案描述：實(shí)現(xiàn)高精確XY二維運(yùn)動(dòng)的方案有多種，目前提出三種可行方案:直線電機(jī)方案、外購(gòu)XY平移臺(tái)方案、絲杠導(dǎo)軌方案。方案一、直線電機(jī)方案：通過(guò)直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)，將兩個(gè)單向的直線電機(jī)垂直組合實(shí)現(xiàn)XY二維運(yùn)動(dòng)。方案二、外購(gòu)XY平移臺(tái)方案：現(xiàn)在有很多商家提供組裝好的二維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，例如日本的THK公司等。方案三、絲杠導(dǎo)軌方案：通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)絲杠的旋轉(zhuǎn)，由絲杠螺母通過(guò)平臺(tái)連接導(dǎo)軌上的滑塊，使平臺(tái)沿導(dǎo)軌方向直線運(yùn)動(dòng)，通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，控制直線運(yùn)動(dòng)的速度和方向。由兩套絲杠導(dǎo)軌垂直安裝實(shí)現(xiàn)二維運(yùn)動(dòng)。表31 方案比較方案直線電機(jī)外購(gòu)平臺(tái)絲杠導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)需設(shè)計(jì)輔助結(jié)構(gòu)無(wú)需輔助設(shè)計(jì)需要輔助設(shè)計(jì)安裝，穩(wěn)定性，維護(hù)安裝要求高，穩(wěn)定性高，維護(hù)復(fù)雜容易安裝，穩(wěn)定性高，維護(hù)方便安裝要求高，穩(wěn)定性高，不易移動(dòng)位置成本成本高成本高成本低方案確定：根據(jù)表31方案的比較，XY二維移動(dòng)平臺(tái)安裝在機(jī)架中層板上。這個(gè)工作臺(tái)只是在機(jī)器調(diào)整的時(shí)候會(huì)有微小的調(diào)整，一旦設(shè)備調(diào)整到最佳狀態(tài)，這個(gè)工作臺(tái)就不會(huì)再有動(dòng)作，因此，它不是頻繁移動(dòng)的部件，所以在考慮經(jīng)濟(jì)性后采用第三種方案絲杠導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)。 絲杠螺母的設(shè)計(jì)和選型絲杠螺母的設(shè)計(jì)主要是通過(guò)計(jì)算從THK的產(chǎn)品中選擇適合的絲杠螺母，絲杠螺母的設(shè)計(jì)選型主要涉及的內(nèi)容有：絲杠軸直徑、導(dǎo)程、螺母型號(hào)、精度、軸向間隙(予壓)、絲杠軸支撐方式。確定這些選型內(nèi)容后也可以參考其他公司的樣本資料進(jìn)行對(duì)比，在不同公司的產(chǎn)品中選出符合要求的絲杠螺母。根據(jù)技術(shù)上的要求提出使用條件見表32。表32 使用條件序號(hào)名稱單位數(shù)值1運(yùn)送方向水平2運(yùn)送質(zhì)量(m)Kg253工作臺(tái)導(dǎo)向方法滑動(dòng)4導(dǎo)向面上的摩擦系數(shù)(μ)5導(dǎo)向面的阻力(f)N256軸向外部負(fù)荷(F)N7希望壽命時(shí)間（Lh）H262808行程長(zhǎng)度lsmm1709操作速度Vmaxm/s10加速時(shí)間t1S11等速時(shí)間t2S12減速時(shí)間t3S13加速度a=Vmax/t1m/s214每分鐘往返次數(shù)nmin1515定位精度mm16反復(fù)定位精度mm17無(wú)效行程mm018減速比1表33 THK絲杠的精度等級(jí)導(dǎo)程精度與軸向間隙（予壓）：為了得出定位精度177。，所以滾珠絲杠的精度等級(jí)按表33選擇如下。從表中可得知C3級(jí)，運(yùn)行距離誤差∶。故選擇THK精度等級(jí)為C3級(jí)的絲杠軸。為了滿足0mm無(wú)效行程的要求,必須選擇軸向間隙在0以下的滾珠絲杠。因此,從滿足軸向間隙0以下的精密滾珠絲杠里，參照表34選擇預(yù)壓標(biāo)記為G0的滾珠絲杠。從上所述,選擇THK絲杠予壓為G0、精度等級(jí)C3的精密滾珠絲杠。表34 THK絲杠予壓型號(hào)絲杠軸的設(shè)計(jì)與支撐方法選擇：假定螺母全長(zhǎng)為100mm,絲杠軸末端長(zhǎng)度為100mm。所以根據(jù)行程長(zhǎng)度170mm決定的全長(zhǎng)。170+200＝370mm，所以絲杠軸長(zhǎng)度假定為370mm。驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的額定轉(zhuǎn)速3000min最高速1m/s時(shí)，滾珠絲杠的導(dǎo)程如（31）式： （31）因此必須選擇5mm或5mm以上的導(dǎo)程。符合導(dǎo)程精度和軸向間隙（予壓）所要求的滾珠絲杠為精密滾珠絲杠，導(dǎo)程為5mm，參照表35 ，絲杠周的外徑有1112（28）、3（40）、（50）。外徑為114的絲杠軸過(guò)細(xì)，32以上的絲杠軸過(guò)粗，所以絲杠軸外徑暫定為20。，故絲杠軸的支撐方法可選擇固定支撐或固定固定的方式，但是固定固定的