Strategies in Light 2012: оптимизация производства светодиодов

Весной этого года состоялась ежегодная Международная выставка LED-индустрии и технических решений освещения — Strategies in Light 2012. В рамках секции, посвященной производству светодиодов, прозвучало несколько выступлений по теме снижения издержек. Рассматривались, в частности, такие вопросы, как переход на полупроводниковые пластины большего диаметра, а также применение материалов, выдерживающих более высокие температуры в процессе работы светодиода.

Производство должно быть гибким

Иейн Блэк (Iain Black), вице-президент по технологии производства и инновациям компании Philips Lumileds, выступил с программной речью. Он указал, что сложность светодиодных изделий и продукции, в которой они применяются, а также большое разнообразие клиентуры на рынке освещения весьма затрудняют снижение издержек при производстве этих изделий. «Существует огромное множество применений и тысячи светодиодов, которые необходимо приспособить к этим применениям», — отметил г-н Блэк. Он заявил, что компания Lumileds переходит к производству более стандартизированных светодиодных изделий с дифференциацией по целевому назначению ближе к концу производственного процесса. По его словам, это позволит упростить процессы обработки полупроводниковых пластин, которые характеризуются наибольшими капитальными затратами, и сократить номенклатуру типов кристаллов. «У нас сохранятся заказные решения для очень крупных клиентов или продукции нишевого характера, но адаптация однокристальных излучателей для освещения более не оправдывает себя», — отметил далее Блэк. Кроме того, компания строит настраиваемые производственные линии, которые позволят достичь необходимой гибкости. Сейчас Lumileds расширяет свое предприятие по окончательной сборке светодиодных изделий на о-ве Пинанг (Малайзия). Оно будет полностью готово в середине 2012 г.

Спрос и предложение

Меняющейся мировой конъюнктуре в сфере производства светодиодов была посвящена речь Карен Савала (Karen Savala), президента компании SEMI America. По оценкам SEMI, сегодня во всем мире работает 142 фабрики по изготовлению светодиодов. Для сравнения: в 2006 г. таких фабрик было всего 64. Оценка совокупной производственной мощности на 2012 г. составляет 1,57 млн полупроводниковых пластин в месяц (в четырехдюймовом эквиваленте), а ее географическое распределение показано на рис. 1. Наибольшая доля приходится на Тайвань, за которым следуют Япония и Китай.

Рис. 1. Глобальное распределение производственной мощности в сфере изготовления светодиодов

Карен Савала заметила, что недавние инициативы по расширению производства в Китае были приостановлены ввиду падения цен на светодиодную продукцию и опасения перепроизводства. По ее словам, некоторый избыток производственной мощности действительно наблюдается, но он будет кратковременным. Также Савала представила новые данные о ценах на сапфировую подложку, которые к концу 2011 г. достигли рекордно низкого уровня — $10 за двухдюймовую подложку (рис. 2).

Рис. 2. Цена двухдюймовой сапфировой подложки

Отраслевые стандарты — один из путей к снижению издержек при производстве светодиодов. Савала отметила, что в настоящее время на рынке представлено свыше 30 различных шестидюймовых полупроводниковых пластин с сапфировой подложкой. В 2010 г. компания SEMI учредила комитет по стандартизации HB-LED, а в настоящее время имеется четыре рабочие группы по производству светодиодов. Поставлены следующие задачи: разработать геометрические стандарты для шестидюймовых полупроводниковых пластин с сапфировой подложкой (сейчас они находятся на стадии голосования); определить геометрию держателя подложки и интерфейсы для автоматизации; исследовать допустимые уровни примесей и дефектов для шестидюймовых полупроводниковых пластин с сапфировой подложкой; выработать надлежащие рекомендации по охране окружающей среды, охране труда и промышленной безопасности при производстве светодиодов.

Перспективы развития: все по плану

Джим Бродрик (Jim Brodrick), менеджер программы полупроводникового освещения Министерства энергетики США, начал свою речь с того, что предложил слушателям загрузить перспективный план НИОКР в сфере производства полупроводникового освещения (www.ssl.energy.gov/techroadmaps.html) и активно поучаствовать в работе по его корректировке. Он заявил, что отрасль, по сути, шагает в ногу с планом, по которому в 2012 г. должна быть достигнута световая отдача светодиода в 176 лм/Вт при цене $6 за килолюмен (холодный белый цвет). Бродрик указал в плане два приоритетных направления: разработка гибких и экономически эффективных методов производства светодиодных модулей, источников света и светильников, а также быстродействующего оборудования неразрушающего контроля и стандартизированных процедур контроля на ключевых этапах производственного процесса. Для светодиодных светильников на промежутке между 2010 и 2020 гг. прогнозируется 20-кратное снижение издержек производства (рис. 3).

Рис. 3. Целевые показатели перспективного плана по светодиодным светильникам

Бродрик подчеркнул, что снижение издержек при поддержании высокого качества производства сводится к одной метрике: выход готовой продукции после сортировки. Министерство энергетики США финансирует программы по управлению начальными производственными процессами, неразрушающему контролю, автоматизации производства и передовым схемам корпусирования, которые могут дать более высокий выход готовой продукции после сортировки. В части корпусирования, по словам Бродрика, необходимы более высокие уровни интеграции компонентов, и компании — производители светодиодов будут в массе своей переходить к корпусированию в масштабах пластины из стоимостных соображений. Он отметил, что из всего объема финансирования программы полупроводникового освещения Министерства энергетики, составившего в 2011 г. $114 млн, 31% отведен на инициативы, связанные с органическими светодиодами (OLED). Перспективный план призывает к снижению затрат на производство светильников на органических светодиодах приблизительно с $230 за килолюмен в 2012 г. до менее чем $20 к 2020 г. «Для недорогого высокоскоростного осаждения тонких пленок при производстве OLED-продукции, вероятно, потребуются новые инструментальные платформы», — сказал Бродрик. Далее он добавил, что прогресс в сфере крупноформатных OLED-дисплеев, касающийся, среди прочего, методов крупномасштабного осаждения и автоматизации, должен пойти на пользу рынку OLED-освещения в целом. К числу приоритетных направлений снижения издержек относятся более рациональное расходование материалов, снижение стоимости органического слоя и совершенствование методов герметизации.

Увеличение размеров полупроводниковых пластин

Джекоб Тарн (Jacob Tarn), президент компании TSMC Solid State Lighting Ltd, посвятил свое выступление вопросу о том, «может ли крупный игрок на рынке полупроводников реализовать более крутое снижение издержек производства светодиодов». TSMC — крупнейшая в мире компания, занимающаяся производством полупроводниковой продукции. На собственный вопрос г-н Тарн ответил утвердительно, заявив, что многие процессы с высокой производительностью труда можно перенести из полупроводникового производства в светодиодное.

В первую очередь, по его словам, нужна интегрированная среда разработки для светодиодного производства с возможностью моделирования устройств и технологических процессов, подобная тем средам, которые применяются при производстве полупроводников. «В нитрид-галлиевой отрасли недостаточно баз данных, чтобы построить эту инфраструктуру, поэтому многие разработки были эмпирическими», — отметил он.

TSMC планирует внедрить полностью автоматические производственные процессы изготовления восьмидюймовых полупроводниковых пластин на светодиодном производстве. В качестве примера Тарн привел выращивание эпитаксиальных слоев на четырех- или шестидюймовых подложках с последующим переносом эпитаксиальных слоев на базе GaN на восьмидюймовые полупроводниковые пластины посредством склеивания пластин. Далее можно выполнять окончательную обработку, включая металлизацию, пассивирование, покрытие люминофором и формование линзы, а затем — нарезку и тестирование пластин. Что касается управления технологическими процессами и оборудованием, в светодиодное производство из полупроводникового могут быть перенесены такие важнейшие составляющие, как текущий контроль итоговых значений (run-to-run control), поиск статистических связей в данных (data mining) и отслеживание оборудования (equipment tracking).

Помимо этого Тарн высказал предположение о возможности разработки оптики для нескольких светодиодных излучателей и встраивании функций управления на уровне светодиодного кристалла или корпуса.

Далее Раджа Парвез (Raja Parvez), исполнительный директор компании Rubicon Technology, выступил с речью о преимуществах перехода на сапфировые подложки большего диаметра, а также последних тенденциях в отрасли. Он указал, что всего имеется пять крупных производителей полупроводниковых пластин с сапфировыми подложками, и все они в прошлом году расширили свои производственные мощности, что привело к значительному снижению цен. Вместе с этим он утверждает, что немногие производители способны изготовить высококачественную подложку большого диаметра и что на уровне пластины достичь плоскостности и отсутствия производственных дефектов гораздо труднее. Наблюдаемое повышение плоскостности пластин связано с большим единообразием результатов литографии и большей согласованностью светодиодов по яркости и цвету. На сегодня компания Rubicon поставила свыше 230 000 полированных шестидюймовых полупроводниковых пластин с сапфировой подложкой.

Производительность инструментального оборудования

Томас Урман (Thomas Uhrmann) из EV Group назвал литографическое шаблонирование одной из ключевых областей снижения издержек для производителей светодиодов. К параметрам, влияющим на выход продукции после шаблонирования, относятся деформация и плохая видимость знаков совмещения из-за светорассеивающих характеристик полупроводниковых пластин. В этой сфере установки совмещения и последовательного мультиплицирования конкурируют с установками совмещения с микрозазором.

Инструментальное оборудование светодиодных фабрик, имеющих дело с пластинами разных размеров, должно обеспечивать переналадку на другой размер пластины за минимальное время. Урман посоветовал при выборе оборудования для закупки оценивать не только стоимость владения им (в долларах на одну пластину), но и его КПД по площади (в пластинах в час на квадратный метр). По словам Урмана, многие производители светодиодов сейчас осваивают вертикальные светодиодные структуры, которые могут обеспечить более высокий световой КПД по сравнению с горизонтальными структурами и одновременно хороший отвод тепла к промежуточной сборке или корпусу. Для этих структур EV Group разработала ряд процессов пайки эвтектическим сплавом и соединения в переходной жидкой фазе, которые способны выдержать высокотемпературные циклы на дальнейших этапах технологического процесса.

Организация выявления и устранения дефектов, управление выходом готовой продукции

Абдул Латиф (Abdul Lateef), исполнительный директор компании Plasma-Therm, занимающейся изготовлением оборудования для плазменно-химического осаждения из газовой фазы, затронул тему спроса со стороны производителей светодиодов на более эффективные средства управления данными. Он привел пример того, как измерения на производственной линии помогают автоматизировать технологический процесс: оборудование компании для плазменно-химического осаждения из газовой фазы было оснащено оптико-эмиссионными интерферометрами, в которых свет от плазмы используется для контроля толщины пленки.

Майк Плисински (Mike Plisinski) из компании Rudolph Technologies также коснулся темы измерений и методов управления выходом готовой продукции. По его словам, инженеры, занимающиеся эпитаксиальными процессами, получают недостаточно четкое представление об их влиянии на последующие технологические этапы производства светодиодов. Плисински предложил сосредоточить ресурсы управления технологическими процессами на эпитаксиальной фазе. Рис. 4 показывает, что выход готовой продукции и световая отдача светодиодов в наибольшей степени влияют на общее снижение стоимости эпитаксиального процесса.

Рис. 4. Факторы снижения стоимости эпитаксиального процесса

Производители светодиодов могут применять автоматическую классификацию дефектов по типам и сопоставлять эти данные с данными управления выходом готовой продукции, чтобы отделять вредные дефекты от несущественных. «Мы наблюдали случаи, когда одни типы дефектов, вне зависимости от их размера, всегда влияли на выход готовой продукции, а другие — нет», — пояснил Плисински и добавил, что после этого можно настроить алгоритмы контроля на обнаружение критических дефектов. Он также подчеркнул, что инвестиции в средства управления технологическими процессами необходимо наращивать вместе с производственной мощностью.

Выступление Дэна Шарпфа (Dan Scharpf) из компании Labsphere было посвящено оптическим испытаниям светодиодов. Он сказал, что одной из трудностей при производстве светодиодов является определение этапов технологического процесса, которые дают наибольшую вариацию световой отдачи и цвета свечения. Он также сообщил, что все большее число производителей интересуются испытаниями светодиодов при повышенных температурах. В этой связи Шарпф указал, что терморегулирование представляет собой непростую задачу на всех уровнях, будь то пластина, кристалл или модуль, и добавил, что испытания при повышенных температурах занимают больше времени, так как требуют достижения равновесного состояния. Затем он предупредил, что если светодиод испытывает саморазогрев, рабочая длина волны с большой вероятностью сдвинется, и измеренный световой поток может существенно измениться.

Регулирование тепловых режимов

Джефф Гарднер (Geoff Gardner) из Dow Corning рассказал об инновациях в технологиях кремнийорганических материалов применительно к светодиодам. По его словам, компания разработала силикон с повышенным показателем преломления, способный выдерживать высокие рабочие температуры, специально для мощных светодиодов (более 0,5 Вт).

Силикон также применяется во вторичной оптике, изготавливаемой методом литья под давлением, — например, в линзах с эффектом полного внутреннего отражения. В оптике с удаленным люминофором силикон выдерживает более высокие температуры, чем поликарбонат — наиболее популярный сегодня материал. Наконец, материалы теплового интерфейса на основе силикона могут наноситься методом трафаретной печати и обрезаться практически по любой форме для снятия механических напряжений, амортизации ударных нагрузок и отвода тепла в разнообразных светодиодных лампах и светильниках.

Стоимость корпусирования

Речь Илкана Кокгора (Ilkan Cokgor) из компании Everlight Electronics была посвящена технологическим процессам, связанным с использованием корпусов PLCC. Это недорогие корпуса для поверхностного монтажа, которые до последнего времени не пользовались репутацией надежных в контексте производства светодиодов.

Кокгор указал на ряд недавних усовершенствований, которые претерпели корпуса PLCC. В частности, это модифицированная первичная оптика, новый процесс нитридизации сплава, улучшающий кристаллическую структуру материала люминофора и повышающий яркость, а также новые процессы травления боковых стенок и шаблонирования сапфировой подложки кристаллов. Кроме того, в корпусах PLCC используются материал присоединения кристаллов с большей теплопроводностью (0,8 Вт/мК) и отражатель с более высоким КПД.

Равви Бхаткал (Ravi Bhatkal) из Cookson Electronics посвятил свое выступление некоторым трудностям регулирования тепловых режимов, связанным с применением материалов корпуса, промежуточной сборки и платы с разными коэффициентами теплового расширения. Быстрые изменения температуры вызывают повышенные термические напряжения и могут приводить к разрушению при ползучести. Он предложил сочетать подбор комбинации материалов, тепловое моделирование и расширенные испытания тепловыми циклами для установления соответствия между результатами ускоренных испытаний и оценкой полезного срока службы.

Оригинал статьи опубликован на http://www.ledsmagazine.com/