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LED研磨技術

 

前言

最近因爲能源的利用議題,讓藍光LED最近火紅的狠!

相信有不少的專業朋友都知道現行的白光LED都是以高亮度的藍光LED加上螢光粉制造而成,各家都有其專業的技術。目前流行的作法據我所知有背金、粗化、磊晶前蝕刻等,而最近當紅的是磊晶前蝕刻的作法,遽聞此制程方式能讓發光亮度最好。

背金制程顧名思義就是在晶片的背面鍍上一層金屬,使發光層的光線得以因折射而讓發光效率更高。但是由于晶片已經研磨至100um以下的厚度,在執行蒸鍍制程時,容易發生破片的損失。當然,也因爲晶片厚度的關系,使得晶片産生翹曲,蒸鍍後的膜厚均勻性也有某些差異。

粗化制程的方法就有很多不同方式,但是大部分都是在發光區作一些文章,而此制程方式的主要影響就在發光區蝕刻的均勻度。若粗化制程控制得當,再有效的搭配上背金制程........發光亮度即有??不錯的加分!

最近正熱的磊晶前蝕刻制程,就是在磊晶制程前,就將藍寶石基板先作蝕刻,遽聞此制程能獲得最好的亮度。有人造山,也有人挖孔..........各有各的專業knowhow!

然而,這些制程的方式,就以磊晶前的蝕刻最容易在晶片研磨時産生致成問題!

因爲結構應力的關系,加上各家磊晶廠的技術專業不同,有的晶片還算平整,有的晶片卻像波浪般的卡迪納的厚切洋芋片........使得研磨後的生産良率受到嚴重的影響............更讓許多LED的後制程代工廠敬而遠之.......

个人在蓝光LED制程之中的见解,最容易遭受严重损失的,应属研磨制程!毕竟在晶片的制程状态下,经过了磊晶、黄光、蚀刻、薄膜,研磨之前已属半成品。况且,目前的研磨技术已经不再是一片片的慢慢磨,而是一次5~8片,甚至12片.......一个控制不好,损失情况不在话下..... ....

當然,還有很多可以利用的方法讓亮度提高,但是是否能夠讓各制程可以順利的生産,一直是各家LED廠思考的問題。

LED晶片研磨首部曲----上臘

一般LED研磨設備大多數是SF牌的Lapping,對于二~四元的紅、黃光晶片研磨生産,已經十分充足。但是由于近幾年來藍光LED的專利技術解放,晶片得以大量生産制造,Lapping的研磨方式對于硬度高的藍寶石基板顯得相當吃力。因此,開始有人發展切削力更高的Grinding研磨方式,藍光LED研磨設備也慢慢的變更爲制程工時僅需二分之ㄧ的Grounding研磨設備。

因著Grinding研磨設備的高速切削力,讓藍光LED的研磨制程獲得大幅改善。但是,卻無法有效的應用在基板脆弱的紅、黃光研磨制程上。

LED晶片研磨制程的第一個動作就是「上臘」,這與矽晶片的CMP化學研磨的貼膠意義相同。上臘的目的在于,將晶片固定在鐵制(Lapping制程)或陶瓷(Grounding制程)圓盤上。先將固態蠟均勻的塗抹在加熱約90~ 110 ℃的圓盤上,再將晶片正面置放貼附于圓盤,經過加壓、冷卻後,晶片則確實固定于盤面,完成上臘的動作。

上臘的制程,主要必須控制臘的厚度在2~3um,這與固蠟的選擇,以及加壓方式、條件,都有直接影響,並且直接關系著研磨後的完工厚度均勻性。而上臘機的加壓、冷卻機構部分,大致可分成兩種,一爲使用兩圓盤直接加壓方式,另一種則是除了加壓圓盤外,還增加了一個真空艙,在加壓時將艙體抽真空,增加將蠟均勻壓平的效果。這兩種方式,其實嚴格來說,差異並不大.........但是某些晶片,卻不適用于真空加壓的方式上臘!例如晶片若是在磊晶制程前就已經在晶片正面的平邊作刻號,當加壓抽真空時,因爲平邊的刻號隆起,會造成晶片下的臘被真空吸出,導致臘厚不足。研磨時,平邊區域非常容易就被磨掉。除了造成研磨缺角,也因裂痕的産生,容易使晶片破裂。

然而,加壓、冷卻的設計也有不同,一般下圓盤都會有冷卻水管路盤繞在盤內。但是有的是加壓後數十秒或兩分鍾才開始加冷卻水作冷卻,而有的則是邊加壓、邊冷卻。但是個人在使用上的經驗,以加壓後,等待約數十秒或一分鍾再進行冷卻爲宜。

當上臘作業時,有一個讓人頭疼的問題,就是晶片上臘時的氣泡。氣泡會使晶片因此而無法完全貼附于鐵盤或陶瓷盤上,研磨後會造成小裂痕。(PS.附帶說明,若晶片研磨後産生小十字型或人字型裂痕,則是上臘時有微塵未被清除而造成。)但是,近來已經有自動上臘機,如WEC、TECDIA。在Robot取片時,就能將氣泡大小控制在0.5mm以下,在經過加壓冷卻後,晶片上臘的狀況就十分良好。但是若以Speed??FAM的手動上臘機進行上臘時,去除臘中1mm大小的氣泡,就必須依靠操作者的經驗與方法,才能獲得最佳的上臘效果。

學會上臘,是LED研磨制程中的第一步,不同的設備設計,伴隨著不同的上臘結果。所以必須了解其設備原理,才能有效地克服制程上的困擾,讓下一步的研磨制程更順利!

LED晶片研磨二部曲----研磨

在上臘制程作業完成後,接下來的制程就是破壞力最高的「研磨制程」。

過去最成熟的研磨制程就是Lapping,即是將晶片使用氧化鋁研磨粉作第一次研磨。其作業方式是使用千分表量測與設定鐵盤外圍的鑽石點,再將其放置于磨盤上,使用研磨粉作研磨。使用鑽石點的目的在于讓晶片研磨至設定厚度時,由于鑽石的硬度最高,所以晶片就不致于再被磨耗。

但是,由于藍光LED基板爲藍寶石,硬度高!所以使用Lapping的方式研磨時,會導致制程時間過長。因此,近幾年來以Grinding的方式進行藍光LED的晶片研磨,降低制程工時。

然而,由于Grinding研磨方式的破壞力比Lapping更大,所以此制程並不適用于質地較脆的紅、黃光晶片。所以,Lapping與Grinding的研磨制程,就有如所謂的:有一好,就沒有兩好.........

而紅、黃光與藍光的研磨制程,在不同的條件之下,由此開始有了不同的制程作業路徑!

由于Lapping是成熟的研磨制程技術,重點在于研磨粉中的氧化鋁粒徑,通常有經驗的工程師都會要求供應商作過篩的作業。所以只要此要點有做執行,一般遇到的問題大多在于磨盤的凹盤或凸盤控制。在此就不多作贅述...........

Grinding制程設備可分成臥式與立式兩種,臥式研磨機所指的是研磨馬達與水平面平行,可適用于八片式以下的研磨設計。但是若爲12片式研磨時,因陶瓷盤過大,則無法使用此設計方式。立式研磨機所指的是研磨馬達與水平面垂直,而八片式以上的研磨機以此設計爲主。

在Grinding的制程方式中,使用鑽石砂輪搭配冷卻液(冷卻油+RO水或DI水)或鑽石切削液來研磨晶片。雖然冷卻方式會依原設計者的制程理念與經驗而有所不同,但是並不影響制程的結果。此制程作業之中,最主要的在于工作軸與砂輪軸的調整必須呈平行。再來,就是砂輪的磨石結構。

砂輪的磨石除了鑽石粒徑之外,就是燒結的配方與溫度,這會對研磨後的品質與砂輪壽命造成不同的結果。一般而言,砂輪的燒結都是供應商的機密,使用端無法得知。然而,砂輪上磨石的設計,也可産生不同的研磨效果與使用壽命。而目前我所使用過的砂輪設計,以磨石呈長條塊狀的圓周排列方式最佳。而圈數約爲三圈以上,可以讓砂輪的使用壽命較長。

因爲砂轮的磨石结构與Dicing Saw的钻石刀相同,所以都必须作使用修整,目的在于让钻石颗粒的浮出状况最佳化,提高制程的品质與砂轮及钻石刀的寿命。Dicing Saw在刀具第一次使用與切割的过程之中,都会以厚度500um以上的矽晶片作修刀。相同的,砂轮在初次使用與研磨过程之中,也必须使用油石作砂轮修整。

由于Grinding研磨制程的速度效率高,若可以在研磨時將晶片厚度盡可能的減薄,則抛光的工時與成本就能降低。但是,研磨是高破壞性的制程作業,所以晶片減薄有一個極限值;另外,研磨制程中因鑽石所造成的刮痕約爲15um,所以完工厚度值也影響著研磨減薄的厚度設定。

然而,在個人使用過的Grinding研磨機裏,不論是T牌、W牌、SF牌等,最大的極限值都在95~105um。因爲藍寶石基板的硬度與翹曲,而使得完工後在100um以下的結果相當不穩定。

所以,LED的研磨制程主要在設備設計與使用者經驗的搭配。但是晶片的本質,仍是影響結果的主因,這就看各路高手如何見招拆招了。

LED晶片研磨三部曲----抛光

在晶片研磨之後,接下來的制程作業就是「抛光」。目的在處理Lapping研磨後産生的深孔,或Grinding研磨後的深刮痕。一般而言,Lapping研磨後的孔洞深度約爲10um,Grinding研磨後的刮痕深度爲15um~20um。

以Lapping研磨后的抛光制程而言,抛光盘多数使用聚氨酯Pad,即一般所谓的软抛。软抛可以使制程作业后的表面光亮如镜,但是其切削速率极低,约为0.2 um/min。另一个抛光方式是使用锡、铅盘,因其盘面为金属材质,所以一般称为硬抛。硬抛的切削速率可以达到0.7~1 um/min,加工速度比软抛快。然而,使用金属盘做抛光的风险较高。虽然为锡、铅为软质金属,但是盘面的状况必须十分小心的作监控,尤其是盘面的修整。若在修整后,有金属颗粒未除净,抛光后的结果可是「碎碎平安」.........

因此,爲了增加切削速率與盤面的穩定性,近年來有了新式的抛光盤,其盤面是樹酯,基座是銅。就是現在所謂的「樹酯銅盤」。因爲盤面材質的硬度介于聚氨酯與錫之間,也被稱作是硬抛的一種方式。使用樹酯銅盤做抛光,再搭配特制鑽石抛光液與每秒的噴灑量,切削率可達2.3~2.8um/min。搭配Grinding的研磨制程,就能增加大量的生産産出。當然,鑽石抛光液的消耗量也會隨之增加.............但是在産能提升與損失風險較低的生産型態之下,每片晶片的生産成本未必會有增加。

再來,我們繼續探討樹酯銅盤的高切削率搭配!

第一要素是銅盤溝槽與溝槽之間的間隙,溝槽與溝槽之間的間隙寬度最好爲溝槽寬度的1.3~1.5倍。再來是抛光液的噴出量,必須依據無塵室環境與銅盤冷卻溫度而去作適當的設定、調整。

重點來了!特殊的抛光液怎麽配?

其實,我也不清楚,因爲這是各家耗材供應商的knowhow,所以無法完全得知!

然而,我们知道钻石颗粒有单晶與多晶两种,虽然单晶钻石的切削率最高,但是由于颗粒较多晶钻石锐利,所以晶片加工越薄,破片的风险就越高..... ....所以,钻石抛光液大多使用多晶钻石颗粒,不仅切削稳定,若與其他溶剂的配方比例佳,切削速率并不逊色!

然而,以我使用過W牌與T牌的抛光機,以T牌的設計自動化最佳,但是W牌的設計補救能力最強。所以,在使用考量上,我會選擇W牌,避免研磨或抛光發生厚度不均勻的異常時,還能對大量的異常施以補救。

目前,我使用過W牌的一台上蠟、兩台研磨、一台抛光的五片機系列,加上個人的特殊制程改善,最高紀錄可以在15小時産出300片。若以四班二輪作平均計算,一天一個班(12小時)可以産出250片左右。

所以,在適當的設備搭配與使用經驗作改善之下,其實抛光是晶片減薄裏,最穩定的制造生産!

LED晶片研磨最終曲----下臘清洗

在完成的晶片研磨的減薄作業之後,接下來的作業就是將晶片由鐵盤或陶磁盤上取下。

因爲LappingGrinding制程的使用臘濃度不同,所以加熱的溫度也不同。一般鐵盤的下臘加熱溫度爲70~ 7 5 陶磁盤下臘加熱溫度则为90~ 110

將铁盘或陶磁盤放在加热板上加热时,会先喷洒一些去腊液,增加腊的融化速度。加热20分钟后,腊由于受热溶化,使晶片呈现翘曲状。此时,再使用晶片镊子與安全刮刀將晶片由铁盘或陶磁盤上取下。取片时,必须特别注意双手的操作搭配,避免晶片破片或晶片正面遭到刮伤。

將晶片取下之後,接著就是置放于鐵氟龍晶舟,使用去臘液、丙酮(ACE)、異丙醇(IPA)作晶片的去臘清洗。

此時,有許多工程人員使用的清洗順序爲去臘液→ ACEIPA,但是在我測試過後的程序應該是ACE →去臘液→ IPA

當然,這裏就會出現爭議……..去臘液的功能是去臘,ACE的功能是去油、水。爲什麽會先泡ACE呢?

其实,这是我在某家公司时,早期因爲残腊所苦,测试了许多去腊液……..最後在一家日本供應商經過分析後,才得到一個結果:ACE可以將晶片上的臘剝離。

所以,先以ACE將晶片上大量的臘作剝離之後,再以去臘液將晶片上少部份的殘留臘溶解,如此才能容易去除晶片上的臘。

在我測試後的順序爲ACE →去臘液→去腊液→ ACEIPA,清洗後的殘臘機率較低。制程理論爲:先以ACE將晶片上大量的臘剝離,再使用兩道去臘液溶解晶片上少量的臘;接著再使用ACE將去臘液的油脂去除,最後使用IPAACE去除。

晶片下臘清洗中,建议避免使用超音波震荡。因爲晶片厚度都在80~9 5 μ m,使用超音波震荡,就算晶片没有震破,也会内伤。所以只能將溶剂加热,利用加热时产生的热流加速清洗的时间與增加清洗效果。

然而,清洗制程除了浸泡程序之外,就是去臘液的選擇。個人測試過的去臘液有:ND、昭和、WEC、芝普、法博、柏連等。

其中以ND去腊液较佳,价格最高。因爲其成分为植物性萃取物,为食品级溶剂(老鼠吃不死,但是我沒嘗過......),有柚子的味道,對人體沒有危害。

而昭和去腊液中含有甲苯,虽然效果不错,价格尚可,但是对人体的危害较大。使用與否,就看企业主的良心了......

其他的去臘液都相當便宜,加熱後的氣味刺鼻,洗淨效果普通。

但是,由于ND去臘液是植物性萃取物,所以其油脂容易被ACE洗淨。其余的去臘液爲化學合成,容易産生油脂殘留,一道ACE通常不易洗淨。

所以,晶片下臘清洗由于经验的不同,浸泡程序也有所不同。只要能有效除腊,没有残腊的异常,就是最好??的清洗方式!

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