机械毕业设计（论文）-LED芯片检测机构的设计【全套图纸】 .pdf

第一章第一章 绪论绪论 照明是人类最基本的生活需求之一，照明技术的发展也贯穿整个人类的历 史，经历了火光、白炽灯、荧光灯三个主要阶段。半导体照明具有低能耗、长寿 命、高可靠性、易维护等优点，被公认为下一代照明技术，将成为未来几十年甚 至上百年的主要照明手段。 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 半导体照明所使用的主要器件是发光二极管（light emitting diode，缩写 为 led） 。半导体发光原理提出于上世纪 60 年代，1964 年诞生的红光 led 是第一 种半导体发光器件，很快又研制成功黄光 led。蓝光和绿光 led 直到 1994 年才 研制成功，1996 年在蓝光 led 的基础上研制出可用于照明的白光 led。 在照明等应用中对光源的主波长、光强等参数的一致性要求非常高，但是由 于材料和工艺等原因， 即使同一批次的 led 产品在光电参数方面也会存在较大的 差异，因此在生产过程中必须对 led 的光电参数进行精确测量，并对产品分档。 发光二极管（led）以其体积小、响应速度快、寿命长、可靠性高、功耗低 等优点已广泛应用于指示、 显示、 普通照明等领域。 随着其应用范围的不断扩大， 提高 led 产品的可靠性和稳定性，降低其生产成本成为不可忽视的问题，因此 led 生产过程中的质量检测显得尤为重要。 目前，在白光 led 芯片生产过程中，特别是芯片检测和分拣阶段，需要进行 多次精确定位。视觉定位具有安全可靠、精度高等特点，因此通常使用 ccd 摄像 机和计算机软件，利用机器视觉技术实现芯片精确定位。led 芯片的特点是尺寸 小并且数量巨大，目前常用的白光 led 芯片尺寸在 200m200m 到 2 10001000m 之间，在一片直径 90mm 的圆形盘片上约有 800015000 个芯 片。芯片定位误差必须在 10m 以内，识别速度要达到平均每秒 5 个以上，对识 别系统的精度、可靠性和效率要求非常高。led 芯片检测和分拣设备是复杂的光 机电一体化设备，目前还完全依赖进口。研究一种精确、高效、可靠的 led 芯片 定位检测方法，对研制此类设备具有重要意义。 生产厂商看好 led 在照明市场与液晶显示器背光源市场渗透率增长， 持续扩 产。在市场一片乐观情境下，2008 年第三季起受到全球经融海啸影响，市场需 求瞬间冷冻，除了照明等新兴市场渗透率不如预期乐观外，圣诞灯串、小尺寸显 示器背光源等既有市场也因消费者购买能力下滑，呈现出衰退现象。 由于需求减缓，难以消耗年初所扩增产能，导致产品单价巨幅的向下变动， 整体市场景气由繁荣转为衰退，所幸上半年市场增长，抵销了部分下半年市场衰 退所带来的负面影响， 2009 年全球 led 市场规模较 2008 年微幅增长 3%， 达 67.6 亿美元。 目前对 led 的检测主要集中在封装前的晶片检测及封装完成后的成品检测。 晶片检测主要是针对 led 的核心结构 pn 结的检测， 包括 ebic、 obic、 spv 及 squid 法等。其中 ebic、obic 和 spv 法都是基于半导体的光电效应，通过接触式测量 电子束或者光激励半导体产生的电流或电压的变化规律来检测半导体器件的参 数、功能及工作状态。squid 法则是通过非接触方式测苣光电流产生的磁场分布 来实现 pn 结的检测，但由于磁场变化极其微弱，必须采用超导量子磁强计 (squid)，检测仪器系统构成非常复杂，且价格昂贵。这几种方法都不适用于大 批量牛产的在线应用。 目前在 led 生产过程中在线应用的测量方式都是针对封装 完成后的成品检测，如 led 分光分色机等。成品检测能够较好地测量 led 产品的 各种参数和特性，实现产品的分级，但是不能及早地发现产品的质量问题，无法 阻断次品的后续加丁过程，造成材料的浪费，因此研究一种能在 led 生产过程中 在线检测的方法显得非常必要。 针对封装过程中的诸多缺陷 1（如芯片失效、固晶胶连和焊接质量问题等） ， 通过测量 pn 结光生伏特效应在其引线支架中产生的光生电流，分析 led 封装过 程中芯片质量及芯片与支架之间的电气连接状态，在此基础上，进一步分析 pn 结光生伏特效应的等效电路， 详细论述半导体材料的各种参数及等效电路中各电 3 路参数与支架上流过的光生电流的关系， 并通过实验分析这些参数对检测结果造 成的影响。 4 第二章第二章 led 的相关情况的相关情况 2.1 led 知识概述知识概述 led（light emitting diode） ，发光二极管，是一种固态的半导体器件，它 可以直接把电转化为光。led 的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个 支架上， 一端是负极， 另一端连接电源的正极， 使整个晶片被环氧树脂封装起来。 半导体晶片由两部分组成，一部分是 p 型半导体，在它里面空穴占主导地位，另 一端是 n 型半导体，在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候，它们 之间就形成一个 p-n 结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推 向 p 区，在 p 区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是 led 发光的原理。而光的波长也就是光的颜色，是由形成 p-n 结的材料决定的。 2.1.1 led 的分类的分类 1. 按发光管发光颜色分 按发光管发光颜色分，可分成红色、橙色、绿色（又细分黄绿、标准绿和纯 绿） 、蓝光等。另外，有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。 根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色，上述各种颜色的发光二 极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光 二极管和达于做指示灯用。 2按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用 微型管等。 圆形灯按直径分为 2mm、 4.4mm、 5mm、 8mm、 10mm 及 20mm 等。国外通常把 3mm 的发光二极管记作 t-1；把 5mm 的记作 t-1（3/4） ；把 4.4mm 的记作 t-1（1/4） 。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。 从发光强度角分布图来分有三类 3： （1）高指向性。一般为尖头环氧封装，或是带金属反射腔封装，且不加散 射剂。半值角为 5#176;20#176;或更小，具有很高的指向性，可作局部照 明光源用，或与光检出器联用以组成自动检测系统。 （2）标准型。通常作指示灯用，其半值角为 20#17645#176。 （3）散射型。这是视角较大的指示灯，半值角为 45#176;90#176;或 更大，散射剂的量较大。 5 3按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封 装及玻璃封装等结构。 4按发光强度和工作电流分 按发光强度和工作电流分有普通亮度的 led（发光强度 100mcd） ；把发光强 度在 10100mcd 间的叫高亮度发光二极管。 一般 led 的工作电流在十几 ma 至几 十 ma，而低电流 led 的工作电流在 2ma 以下（亮度与普通发光管相同） 。 除上述分类方法外，还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。 2.1.2 led 的色彩与工艺：的色彩与工艺： 制造 led 的材料不同，可以产生具有不同能量的光子，借此可以控制 led 所 发出光的波长，也就是光谱或颜色。历史上第一个 led 所使用的材料是砷(as) 化镓(ga) ,其正向 pn 结压降(vf，可以理解为点亮或工作电压)为 1.424v，发出 的光线为红外光谱。另一种常用的 led 材料为磷(p)化镓(ga)，其正向 pn 结压降 为 2.261v，发出的光线为绿光。 基于这两种材料，早期 led 工业运用 gaas1-xpx 材枓结构，理论上可以生产 从红外光一直到绿光范围内任何波长的 led，下标 x 代表磷元素取代砷元素的百 分比。 一般通过 pn 结压降可以确定 led 的波长颜色。 其中典型的有 gaas0.6p0.4 的红光 led，gaas0.35p0.65 的橙光 led，gaas0.14p0.86 的黃光 led 等。由于 制造采用了鎵、 砷、 磷三种元素， 所以俗称这些 led 为三元素发光管。 而 gan （氮 化镓） 的蓝光 led 、 gap 的绿光 led 和 gaas 红外光 led， 被称为二元素发光管。 而目前最新的工艺是用混合铝(al)、 钙(ca) 、 铟(in)和氮(n)四种元素的algainn 的四元素材料制造的四元素 led，可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范 围。发光强度的衡量单位有照度单位（勒克司 lux） 、光通量单位（流明 lumen） 、 发光强度单位（烛光 candle power） 。 (1) 1cd（烛光）指完全辐射的物体，在白金凝固点温度下，每六十分之一 平方厘米面积的发光强度。 （以前指直径为 2.2 厘米，质量为 75.5 克的鲸油烛， 每小时燃烧 7.78 克，火焰高度为 4.5 厘米，沿水平方向的发光强度）。 (2) 1l（流明）指 1 cd 烛光照射在距离为 1 厘米，面积为 1 平方厘米的平 面上的光通量。 6 (3) 1lux（勒克司）指 1l 的光通量均匀地分布在 1 平方米面积上的照度。 一般主动发光体采用发光强度单位烛光 cd，如白炽灯、led 等；反射或穿透 型的物体采用光通量单位流明 l，如 lcd 投影机等；而照度单位勒克司 lux，一 般用于摄影等领域。三种衡量单位在数值上是等效的，但需要从不同的角度去理 解。比如：如果说一部 lcd 投影机的亮度（光通量）为 1600 流明，其投影到全 反射屏幕的尺寸为 60 英寸（1 平方米），则其照度为 1600 勒克司，假设其出光 口距光源 1 厘米，出光口面积为 1 平方厘米，则出光口的发光强度为 1600cd。 而真正的 lcd 投影机由于光传播的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分布不均 匀，亮度将大打折扣，一般有 50的效率就很好了。 实际使用中，光强计算常常采用比较容易测绘的数据单位或变向使用。对于 led 显示屏这种主动发光体一般采用 cd平方米作为发光强度单位， 并配合观察 角度为辅助参数，其等效于屏体表面的照度单位勒克司；将此数值与屏体有效显 示面积相乘，得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度，假设屏体中每个像素的 发光强度在相应空间内恒定，则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。一般室 外 led 显示屏须达到 4000cd平方米以上的亮度才可在日光下有比较理想的显 示效果。普通室内 led，最大亮度在 7002000 cd平方米左右。 单个 led 的发光强度以 cd 为单位，同时配有视角参数，发光强度与 led 的 色彩没有关系。单管的发光强度从几 个 mcd 到五千 mcd 不等。led 生产厂商所 给出的发光强度指 led 在 20ma 电流下点亮，最佳视角上及中心位置上发光强度 最大的点。封装 led 时顶部透镜的形状和 led 芯片距顶部透镜的位置决定了 led 视角和光强分布。一般来说相同的 led 视角越大，最大发光强度越小，但在整个 立体半球面上累计的光通量不变。当多个 led 较紧密规则排放，其发光球面相互 叠加，导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。在计算显示屏发光强度时，需 根据 led 视角和 led 的排放密度，将厂商提供的最大点发光强度值乘以 30 90不等，作为单管平均发光强度。 一般 led 的发光寿命很长，生产厂家一般都标明为 100,000 小时以上，实际 还应注意 led 的亮度衰减周期，如大部分用于汽车尾灯的 ur 红管点亮十几至几 十小时后，亮度就只有原来的一半了。亮度衰减周期与 led 生产的材料工艺有很 大关系，一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素 led。 7 配色、白平衡 2： 白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成，当光线中绿色的亮度为 69%，红色 的亮度为 21，蓝色的亮度为 10时，混色后人眼感觉到的是纯白色。但 led 红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果， 而控制原色包 括有偏差的原色的亮度得到白色光，称为配色。当为全彩色 led 显示屏进行配色 前，为了达到最佳亮度和最低的成本，应尽量选择三原色发光强度成大致 3:6:1 比例的 led 器件组成像素； 白平衡要求三种原色在相同的调灰值下合成的仍旧为 纯正的白色。 2.2 led 的发展前景的发展前景 2008 年全球 led 市场规模约为 69 亿美元， 其中高亮度和超高亮度 led 市场 年平均增长率将达到 20%左右，市场规模达 16 亿美元。在移动手机应用市场的 快速推动下，过去 10 年高亮度 led 市场的年均增长率达到 46%。 我国现有 led 企业 600 余家，企业主要集中在下游封装和应用领域，国内 从事 led 上游外延片和中游芯片的企业大约在 10 余家。全球 led 主要供应国和 地区是日本、台湾、美国和欧洲，其中台湾、大陆和韩国等非日本亚洲地区是全 球 led 产业增长最快的地区。在整个照明领域，我国是世界照明电器第一大生产 国、第二大出口国，半导体照明产业有很强的产业基础，因此未来我国 led 将面 临巨大的发展机遇。 2.3 led 产业简介产业简介 2.3.1 白光白光 led 成为未来成长的焦点成为未来成长的焦点 作为一种全新的照明技术，led 是利用半导体芯片作为发光材料、直接将电 能转换为光能的发光器件。 自 20 世纪 60 年代世界第一个半导体发光二极管诞生 以来，led 照明由于具有寿命长、节能、色彩丰富、安全、环保的特性，被誉为 人类照明的第三次革命。其制程大致可分为三步： （一） 上游：产品主要分为单芯片与磊芯片，单芯片系作为材料的基板。 （二） 中游：主要产品为晶粒。依 led 不同需求进行磊芯片扩散、金属蒸镀、 再在磊芯片上光罩、蚀刻、热处理，制成晶粒电极，最后经过晶粒切割、测试、 检验后完成。 （三） 下游：晶粒封装。将晶粒黏于导线架，依产品应用的不同，将晶粒封装 8 成不同的 led。 图 2.1 人类照明进程示意图 2.3.2 背光源的应用背光源的应用 led 作为 lcd 的背光源，与传统背光技术相比，除了省电之外优势外，还 有很多独特的优点： 1）led 的使用寿命可长达 10 万小时，大大延长了液晶电视的使用寿命； 2）led 背光源有更好的色域，色彩还原好； 3）亮度调整范围大； 4）led 背光可以灵活调整发光频率，而且频率大大高于 ccfl，因此能完美 地呈现运动画面； 5）红绿蓝 3 色独立发光，很容易实时色彩管理； 6）可以调整的背光白平衡，同时保证整体对比度，而且不会牺牲亮度和对 比度； 7）具有很好的亮度均匀性，所需的辅助光学组件更简单，屏幕亮度均匀性 更为出色； 9 8）供电模块的设计也颇为简单，使用 524v 的低压电源，十分安全； 9）led 光源没有任何射线产生，也没有水银之类的有毒物质，绿色环保。 10）抗震性能很出色。 上述数据测试于 2007 年 8 月以前，随着 led 发光效率、亮度的提高，背 光用 led 数量减少，目前功率已经低于 ccfl 背光。最新的数据显示 led 背光 笔记本比 ccfl 背光笔记本功耗低 40%，可延长电池续航时间 1-1.5 倍。由于电 池的正常充放电次数是 500 次，这样续航时间提高也变相减少了电池充放电次 数，相当于延长了电池寿命。 厚度方面目前 led 背光笔记本的厚度也已经取得优势，以 13.3 英寸白光 led 笔记本面板为例，厚度可以薄 40%，重量可以轻 20%。2、受下游笔记本厂商 销售策略影响 2008 年 led 普及未达预期，led 在各方面都优于 ccfl，但其价 格高于后者。rgb led 背光比 ccfl 背光笔记本面板贵 50 至 80 美元；白光 led 价格比 ccfl 高出不到 25 美元，但白光 led 对 ccfl 优势会打折扣。目前市面 上已经有多款 led 背光屏笔记本电脑，业内曾经预期 2008 年 led 背光板会在 nb 中大行其道，不过由于下游整机厂商 2008 年仍然把 led 应用作为高端机型 使用，其价格与普通笔记本的差额远远高过使用 led 背光源增加的成本。因此， 下游笔记本的销售策略直接影响了 led 在笔记本中的渗透率，2007 年大约是 3%，2008 年是 6%-8%。但这一状况有望在 2009 年以后获得改观。原因一方面是 led 背光的不断成熟和下游笔记本电脑厂商已经开始改变销售策略。 2.3.3 中国中国 led 应用市场分析应用市场分析 应用一：显示屏是 led 主要应用市场，全彩显示屏增势强劲。 我国 led 显示屏市场起步较早，市场上出现了一批具有很强实力的 led 显 示屏生产厂商。目前 led 显示屏已经广泛应用到车站、银行、证券、医院。在 led 需求量 上，led 显示屏仅次于 led 指示灯名列第二，占到 led 整体销量的 23.1%。由于用于显示屏的 led 在亮度和寿命上的要求高于 led 指示灯，平均价 格 在指示灯 led 之上，这就导致显示屏用 led 市场规模达到 32.4 亿元，超过指 示灯位居榜首成为 led 的主要应用市场。凭借着独特优势,led 全彩显示屏 广泛 应用在体育场馆、市政广场、演唱会、车站、机场等场所。 应用二：小尺寸背光源市场放缓，中大尺寸将成为新关注点。 10 led 早已应用在以手机为主的小尺寸液晶面板背光市场中，手机产量的持续 增长带动了背光源市场的快速发展。特别是 2003 年彩屏手机的出现更是推动白 光 led 市场的快速发展。 但随着手机产量进入平稳增长阶段以及技术提升导致用 于手机液晶面板背光源 led 数量减少，使得 led 在手机背光源中用量增速放缓。 数量增速的放缓加上平均价格的不断下降，最终导致小尺寸背光源市场增长乏 力，同时，中大尺寸背光源市场成为厂商新宠。 应用三：汽车车灯市场潜力大，但短期内市场很难启动。 led 作为汽车车灯主要得益于低功耗、长寿命和相应速度快的特点。有统计 显示，在汽车以 100 公里的时速行驶下，装有 led 刹车灯的车辆较没有装 led 刹车灯的车辆刹车距离将减少 7 英尺。目前，led 已经逐步应用在汽车的第三刹 车灯上。虽然 led 目前还面临着单位瓦数流明低以及相关政策的限制，在进入 汽车尾灯及前灯市场还需要一定的时间， 但是随着成本性能比的下降以及发光效 率的提升，最终 led 将 逐步实现从汽车内部、后部到前部的转移，最终占据整 个汽车车灯市场。 凭借着汽车的巨大产能， led 车灯市场面临着巨大的发展潜力。 应用四：室内装饰灯市场逐步启动，交通灯市场进入平稳增长期。 室内装饰灯市场是 led 的另一新兴市场。通过电流的控制，led 可以实现几 百种甚至上千种颜色的变化。在现阶段讲究个性化的时代中，led 颜色多样化有 助于 led 装饰灯市场的发 展。led 已经开始做成小型装饰灯，装饰幕墙应用在 酒店、居室中。经过多年的替换工作，全国主要城市由传统交通灯替换为 led 交 通灯的工作已经接近尾声。 但是随着替换工作的完成，led 交通灯市场将不会 再维持高速增长。 应用五：景观照明市场快速发展。 景观照明市场主要以街道、广场等公共场所装饰照明为主，推动力量主要来 自于政府。受到 2008 年北京奥运会和 2010 年上海世博会的影响，北京、上海等 举办地加快了景观照明的步伐，由于 led 功耗低，在用电量巨大的景观照明市场 中具有很强的市场竞争力。目前，led 已经越来越多地应用到景观照明市场中。 此外，奥运会和世博会的主要作用远远不再于自身带动景观照明市场的成长，更 重要的是其榜样作用。 其他城市在看到 led 在景观照明中的出色表现会减少对于 led 景观照明的使用顾虑，加快使用 le 在景观照明中的应用。led 将会从一级城 11 市快速向二级、三级城市扩展。 应用六：通用照明市场路漫漫，任重而道远。 对于进入通用照明市场而言，功率白光 led 除面临着诸如发光效率低、散热 不好、成本过高等问题外，还将面临到光学、机构与电控等的整合以及 led 照明 产品通用标准的制订。解决上述问题需要很长的一段时间。 由于酒店、商务会馆、高档商用写字楼等商用场所相对于价格的敏感度低。 同时这些高档场所更注重于彰显品位与尊贵的地位， 对于新兴产品抱有更大的兴 趣度。这些都降低了 led 照明进入的门槛。led 照明将率先进入商用市场，逐步 向民用市场扩展。我国 led 产业的整体技术实力不强，任处于起步阶段，企业 规模普通偏小。因此未来我国 led 将面临巨大的发展机遇。 2.4 led 的作用的作用 发光二极管(led)是一种半导体发光器件，可靠性高（失效率可达 10e-8）, 电光转换效率高（大约为白炽灯的 35 倍），电光响应速度快（13ms）， 光色稳定性高（不变色），通电瞬间无电流浪涌。过去用途单一用于指示状态的 发光二极管 led（light emitting diodes） ，现在在许多不同的应用场合起到了 重要的作用，包括背景照明，仪表面板指示，装饰照明，应急照明和标记指示。 led 的功能正变得越来越强大， 这应当归功于制造技术的更新， 封装技术的革新， 日益增多的颜色带来的可用性，以及人们对 led 优点认识的逐渐普及，也包括 led 更长的使用寿命，鲜艳透光的色彩，低功率的需求。 一个基本的 led 组成包括 4：一块半导体二极管芯片安装在反射杯上，反射 杯的架子上连有引线（wire bond 封装） ，然后用固体环氧透镜封装。led 在半导 体二极管中的能量级变化的时候发光。电能转换产生光能，其中的一部分转化产 生光。所产生光的特定波长取决于能量级的不同，也取决于制造 led 芯片的半导 体材料的种类。基于上述优点，近年已应用于汽车照明与灯具。 发光二极管用于汽车照明分两种：1.车内、车外低照度照明；2.车外高照度 照明。 低照度照明指那些亮度不高的灯饰与灯具， 如： 仪表板， 操作开关， 阅读灯， 示宽灯，牌照灯等。这一部分的应用，现已十分成熟。为克服 led 发光指向性的 影响，阅读灯、示宽灯类可配合相应的反射器及散射器，已有很好的效果。 12 高照度照明主要是指主刹车灯、高位刹车灯、主转向灯、后雾灯，这些灯具 是用于警示作用的，故有很高的可视度，尤其在阳光下。目前，已有超高亮度的 红色橙色 led 适用。指向性问题需由设计的反光器及散射器。至于前照灯（近 光），有报导称照度达 30000cd 的白色 led 已进入实装阶段。 发光二极管随着紫外 led 技术的成熟， 荧光(紫外激发式)装饰照明系统也已 经逐步应用于生活中，如仪表灯、娱乐灯等。 2.5 led 节能灯的基本概述及其特性节能灯的基本概述及其特性 led 即半导体发光二极管，led 节能灯是用高亮度白色发光二极管发光源， 光效高、耗电少，寿命长、易控制、免维护、安全环保；是新一代固体冷光源， 光色柔和、艳丽、丰富多彩、低损耗、低能耗，绿色环保，适用家庭，商场，银 行，医院，宾馆，饭店他各种公共场所长时间照明。 2.5.1 led 节能灯特性节能灯特性 5 1、高效节能：一千小时仅耗几度电（普通 60w 白炽灯十七小时耗 1 度电， 普通 10w 节能灯一百小时耗 1 度电） 2、超长寿命：半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎， 使用寿命可达五万小时（普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿 命也只有八千小时） 3、健康：光线健康光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射（普通灯光线 中含有紫外线和红外线） 4、绿色环保：不含汞和氙等有害元素，利于回收和，而且不会产生电磁干 扰（普通灯管中含有汞和铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰） 5、保护视力：直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪） 6、发光效率高：发热小，90%的电能转化为可见光（普通白炽灯 80%的电能 转化为热能，仅有 20%电能转化为光能） 7、安全系数高：所需电压、电流较小，发热较小，不产生安全隐患，于矿 场等危险场所 8、市场潜力大：低压、直流供电，电池、太阳能供电，于边远山区及野外 照明等缺电、少电场所。 2.5.2 2009led 产业发展趋势展望产业发展趋势展望 13 时光倒流，2008 年初全球能源价格高涨，具有节能优势 led 成为大众所看 好的明星产业，不断有新的厂商跨足 led 产业。 1.市场呈现负增长 受到全球金融海啸的冲击，消费者消费能力大幅度滑落，延缓或减少相关电 子产品的购买。企业也减少广告支出与资本支出，这将使得 led 市场需求滑落。 以圣诞灯串为例，过去欧美市场总是每年购置新的灯串，创造出每年约数十亿元 左右圣诞商机，但 2008 年受到金融风暴影响，消费者重复使用 2007 年所购置的 产品或减少购买数量，使得 2008 年圣诞灯串市场大幅萎缩，预期 2009 年这一市 场现象将持续。 虽然负面影响如此巨大，但由于 led 在照明市场、lcd 背光源市场饱和度相 当低。且 led 所具有节能、多色彩、寿命长等特性，有利于创造出产品新卖点， 这将使得系统厂商更积极使用 led，以吸引消费者目光进而消费。在这类新兴市 场带动下，将降低全球经济衰退的负面冲击，估计 2009 年全球 led 市场达 67 亿 美元，较 2008 年微幅衰退 1%。 2.政府投资，带动市场需求 为了挽救全球经济景气，各国政府持续扩大公共建设投资，期望带动经济增 长。在各类公共建设投资中，包括路灯、城市景观照明、公共建筑室内外照明等 均是各国政府投资的重点，例如中国的十城万盏计划(点击看更多十城万盏信 息)，美国 led city 计划、美国国防部于五角大厦安装 led 照明等，这类计划将 成为带领 led 产业度过经济寒冬的重要关键之一。 在众多公共工程市场中，目前以 led 路灯为发展重点，主要原因有 1.led 路 灯价格大幅下滑，使得 led 路灯设置投资回收期缩短、2.路灯为户外照明，民众 可以实际感受到 led 路灯的效果、3.led 路灯技术发展相对较成熟，因此成为各 国政府推动 led 照明时主要推动项目。 3.产品单价持续下滑 就外在环境分析，led 需要拉近与竞争光源价格落差，以扩大应用市场及市 场渗透率。并且 2008 年爆发的金融海啸，造成 2009 年市场需求增长迟滞，导致 市场价格竞争更趋激烈。就内在环境分析，借助生产技术提升与制程设备改良， led 生产成本持续下降。内外环境变化均驱使 led 产品单价持续下滑，2008 年上 14 述驱使 led 产品单价下滑因素，将持续影响产业发展，使得 led 产品单价持续下 滑。 4.照明市场将持续增长 近期能源价格下跌，使得 led、太阳能等节能或替代能源需求减缓，但在能 源有限，需求无穷的前提下，未来这类能源产业的前景仍相当看好。对于 led 产 业而言，照明市场是最大潜力市场，且随着 led 发光效率提升，以及政府补助或 奖励政策，有愈来愈多的应用场域使用 led 替代传统光源。 预期未来 led 在照明市场发展将以“由公而私、先商后民、由小而大、由点 而面”的轨迹发展。预测 2009 年照明用 led 市场将达 6.3 亿美元，比 2008 年增 长 35%。 5.标准逐渐形成，加速市场应用 led 应用领域不断扩张，以及 led 光源的结构、发光原理和发光特性与传统 光源不同，led 标准制订逐渐为市场所重视，各国政府与产业协会积极投入此领 域发展，其中以美国发展最为快速。 美国能源部(doe)于 2007 年 9 月发布能源之星(energystar)的固态照明标 准，根据规范将灯具发光效率分为 2 阶段，第 1 阶段最高光效需达到 35lm/w;第 2 阶段则必须达到 70lm/w 水平，其照明灯具泛指住商用一般照明灯具，如厨房 橱柜灯、台灯、嵌灯、户外步道灯、户外洗墙灯等。 doe 预计于 2009 年 7 月 “energystarcriteriaforintegralledlamps” 通 过 led 产品标准，对使用 led 为光源的灯具做更明确规范，也针对 ledreplacemarket 更明确规范 led 效率必须等于或高于 25w 白炽灯等。因此随 着 led 照明标准日趋完整的情况下，厂商逐渐有依循的标准，将加速 led 进入照 明市场 6。 第三章第三章 设计简述设计简述 3.1 设计方案设计方案 半导体照明具有的节能、寿命长、环保、安全、响应快、可靠性高、维护少、 体积小、重量轻等一系列独特优点，被普遍认为是继白炽灯、荧光灯、高压放电 灯之后的第四代照明光源。然而，现在 led 照明的检测技术和产品标准远远不能 适应我国 led 照明的要求。目前 led 检测所用的分光分色机大部分由国外引进， 采用传统的 plc 控制， 体积庞杂， 价格相当昂贵， 大多数中小企业没有购买能力。 随着照明技术的发展， led 目前已普及于社会各个方面， 但是问题也随着产生了。 主要存在于 led 的设计技术中，为解决这些问题，现在许多工作人员致力于 led 检测机构的研究，解决存在的问题，以推动当今社会照明技术更好更快的发展， 造福于人类。led 常见的故障现象及解决方法有： 一、现象：所有的 led 闪烁。 问题： 1、接触不良。 2、有些 led 开关电源有过载保护功能，当接 led 超过其功率时会频闪警告。 解决方法： 1、找到松动处重新固定或接插。 2、更换功率更大的 led 开关电源。 二、现象：led 昏暗。 问题： 1、led 极性接反了。 2、led 串联过长。 3、开关电源和 led 电压标号不一致。 4、led 发光芯片光衰。 解决方法: 1、确保正、负极接线正确。 2、减少 led 的连接。 3、确保开关电源与 led 电压标号一致性。 4、更换 led 芯片或模组。 16 三、现象：部分线路的 led 灯不亮。 问题： 1、接插方向是否正确。 2、电源输出接线是否正确。 3、电源线插反、接反。 解决方法： 1、拆出，重新正确方向接插。 2、确保红色线接正极，黑色线接负极。 3、查出部分插反的线路，重新连接。 四、现象：所有 led 都不亮。 问题： 1、开关电源无电压输出。 2、开关电源输出接线是否正确。 3、led 灯接线电压出错。 解决方法： 1、试电接入开关电源输入端。 2、电源接线正、负极是否正确。 3、请不要用 220v 电直接接在 led 灯上，会使 led 爆废，必须使用同电压 的开关电源。 本次设计主要是针对目前这些现象，做的对 led 芯片检测机构的设计。它主 要包括旋转台、滑移台、x 向传动组装、y 向传动组装、z 向传动组装、r 向传动 组装凸轮组。通过电机带动丝杠传动来控制 x、y、z 三向的位置，通过带传动来 带动旋转台的转动11，这样可以控制工作上的任一位置与探针接触以检测故障。 丝杠通过移动滑台确定 x、y 向的位置。而 z 向是通过凸轮组的移动控制的，主 要是杠杆原理。由凸轮组的位置来决定 z 向位置，这样便可以精确定位。动力源 与负载之间应用杠杆原理，由所检测的结果以及工作台的总重不同，通过调节杠 杆力臂的大小，来设计合理的凸轮装置，最重要是确定凸轮的行程以满足检测机 构 z 向的位移。这样标准件的选择，可以以小功率的电机通过调节力臂来带动比 较大的负载，而且在负载不同时测试芯片。 17 图 3.1 led 芯片检测机构工作台组装 3.2 凸轮机构简介凸轮机构简介 一、组成 由凸轮（原动件）,从动件（推杆）和 机架组成。 主要用于传力不大的控制机构中，常用于对运动规律要求既复杂又严格的场合。 二 、凸轮机构的分类 凸轮机构类型很多，通常可按下列方法进行分类： 1.按凸轮形状分 10 盘形凸轮： （见模型）是凸轮的基本形式，是一个绕固定轴线转动，并且具有 变化半径的盘形零件。 移动凸轮： 凸轮相对机架作直线运动，回转中心趋于无穷远。 圆柱凸轮： 将移动凸轮卷成圆柱体，即成圆柱凸轮。 2、按从动件型式分 10 尖顶从动件： 优点：不论廓线形状如何，尖顶总能很好地与轮廓线接触，所以能实现任意预期 运动规律； 缺点：接触表面磨损大，只能用于低速、轻载，最好是无冲击的凸轮机 构。 18 滚子从动件：为了克服易磨损缺点，在从动件尖顶装一个轮子。即滚子与轮廓 之间是滚动摩擦，耐磨损，所以能承受较大载荷。 平底从动件：从动件与凸轮轮廓表面接触的端面为一平面，显然不能与凹陷的 凸轮轮廓相接触。 优点：不计摩擦时，凸轮与从动件之间的作用力始终与从动件的平底垂直，传 动效率高，接触面间易于形成油膜，利于润滑，故常用于高速凸轮机构。 除此之外，还可以按从动件相对机架作往复摆动还是直线移动分: 1.移动从动件 2.摆动从动件 三、 凸轮机构的优点 优点：1.能实现任意运动规律；只要设计适当的凸轮轮廓，便可使从动件得到 所需的运动规律。 2.设计较容易。 3.结构紧凑，简单。 4.可以减小负荷避免刚性冲击 3.3 系统总体控制原理系统总体控制原理 整个 led 多参数检测系统采用上下位机模式，双核 dsp 控制。led 检测数据 的采集、分析和处理以及操作命令的发出主要由 pc 机完成，工作台和落料系统 以及其他动作控制分别由 dsp 单元完成，dsp 与 pc 机之间采用串行通信模式。 工作台在旋转过程中，带料爪进入进料工位后取料；经过检测工位检测，pc 机 将检测结果进行分析， 将处理结果传输给落料系统， 落料系统的输送管等待就位； 带料爪进入落料工位， 带料爪张开， led 掉入落料系统的输送管完成 led 的分选。 系统采用了 dsp tms320lf2407 作为主控芯片，以构建一个高速、高稳定的电 机控制系统。led 多参数检测系统是一个实时控制系统,要求控制器具有较高的 处理能力和速度。tms320lf2407 芯片是一款 16 位定点数字信号处理器，具备高 处理能力并支持对常见控制设备的访问， 主要应用于运动控制、 工业控制等领域。 tms320lf2407 总线结构支持丰富的片内外设访问，两种类型总线接口用于片内 外设。tms320lf2407 控制器能直接与数据总线匹配, 可以得到全速 cpu 处理能 19 力，具有通常 dsp 的强大运算能力, 而且集成了 adc、can、sci、spi 等外围器 件功能,对应用于控制系统（运动控制和电机控制）提供了强大的支持，同时功 率驱动保护中断为系统操作提供安全保障。 在控制中充分利用了事件管理器的定 时器功能来控制电磁铁继电器开关电路， 定时器比较功能产生 pwm 以完成电机的 速度控制，捕获单元反馈电机的位置信息。 3.3.1 控制电路控制电路 系统中两片 dsp 芯片， 其中一片 dsp 作为控制步进电机驱动检测工作台的核 心控制单元，另一片主要控制落料系统和一些外围电路。外围控制电路包括：电 源管理电路、专用复位电路、信号输出输入电路、存储器扩展电路、液晶显示电 路、串行通信电路、电磁铁开关电路、报警电路、光电传感器监测电路等。 步进电机在转动运行时不够平稳，低速运行容易产生噪声，同时步进电机 在运行过程中还需要升降速过程，否则会产生堵步、失步现象。检测工作台的平 稳运行关系到 led 测试的成功率。 本课题对工作台的控制通过硬件上步距细分和 软件上升减速变化来实现。图 2 为工作台的步进电机核心驱动电路。系统采用专 用芯片 ta8435 来驱动步进电机，运行方式为 1/8 细分模式（m1、m2 高电平） 、 顺时针方向旋转 （cw/ccw 高电平） 、 工作电流为 1a。 r8 和 c1 组成复位电路， d1 d4 为快恢复二极管，可用来泄放绕组电流。输入信号有时钟输入和使能控制， 分别由 dsp 芯片的 t1pwm/t1cpr、iopb1 引脚提供。输入级与驱动器之间通过光 耦进行隔离，tlp521 光电耦合器可以起到隔离两个系统地线的作用，使两个系 统的电源相互独立，消除地电位不同产生的影响；另一方面，可以避免驱动器的 高电压信号可能对 dsp 芯片的干扰。 3.2.2 软件构成软件构成 系统软件采用上下位机模式，上位机软件设计以虚拟仪器（labview）为开 发环境，基于 windows 操作系统的动态链接库技术进行测控程序的编制。上位机 系统软件采用模块化设计， 主要完成系统硬件的驱动、 初始化和控制、 数据采集、 测试数据处理、数据显示等功能。下位机程序包括工作台控制的 dsp 程序和落料 系统控制以及外围逻辑电路动作控制的 dsp 程序。下位机程序在 ccs 环境下用 c 语言编程，模块化设计，各模块主要采用中断方式调用。落料系统的电机控制采 20 用串口通信控制，串口配置为 8 位，无奇偶校验，连续发送三个控制字节，第一 个字节表示电机的正反转运行， 后面两字节分别表示运行步数的高低位字节。 采 用 tms320lf2407 作为 led 多参数检测系统的控制核心，结合 dsp 的高速性能和 内部特殊总线结构的优势，使得系统的硬件得到简化，体积减少，成本降低，控 制更加方便。系统的实时性、精确性、稳定性得以保证，同时用户只需要装配一 些相应的仪器就可以检测 led 更多的性能参数，便于硬件的升级。 第四章第四章 计算计算 4.1 电机的选择电机的选择： 选择电机时，应根据工作机的工作性质，受载特性，工作环境的特点来选择 合适的电机类型，选择时应注意以下几点： （1）所选的电机应能满足生产的机械要求，如速度、加速度、启动能力及调速 特性等。 （2）按技术经济合理性原则选择电机的电压，电流种类，电机类型以保证生产 机械的可靠性工作。 （3）选择电动机要有适当的备用容量，负荷一般为 0.80.9，但是同步电动机不 受次值限制。 （4）选用电动机的类型，除了满足工艺要求，还要满足电网要求，启动时能维 持电网电压水准，保持功率因素在合理的范围。 （5）选择工艺企业用的电动机时，防护型式的电动机是保证人身和设备安全的 重要前提。在一般生产环境的室内，可采用防护式电动机；在能保证人身和设备 安全的情况下，也可采用无防护式的电动机；当用地点可能有水滴落或飞溅时， 应采用防滴防溅式电动机。在湿热带地区，应尽量采用湿热带型电动机；若采用 普通型电动机，应采取适当的防潮措施。 不需要调速的机械，包括长期工作制，短期工作制和反复短期工作制机械采 用异步电动机；负荷平稳且无特殊要求的长期工作制机械，应采用采用普通鼠笼 式异步电动机；带有周期性波动负荷的长期工作制机械，应采用绕线型异步电动 机； 若按启动条件校核验算时不能通过或启动时电网电压降过大时，可采用绕线 型电动机。某些反复短期工作制机械，当采用交流电动机在发热启动制动特性， 调试等方面不能满足要求时或技术经济指标过低时，易才用直流电动机，带周期 性冲击负荷的机械，可采用异步电动机；需要连续调速的机械视调速要求采用交 流电动机或直流电动机调速系统，应首先考虑交流电动机的调速。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控 制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于 机电一体化产品中， 是一种能将数字输入脉冲转化成旋转或直线增量运动的电磁 执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与脉 22 冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而 在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满 足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的 负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩mjmax大的电机， 负载力矩大。 选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，在机械传动过程中为了使得 有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱 动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性 所决定。 4.1.1 选择步进电机需要进行以下计算：选择步进电机需要进行以下计算： 1.两相步进电机的工作原理示意图如下： 它有2 个绕组，当一个绕组通电后，其定子磁极产生磁场， 将转子吸合到 此磁极处。 若绕组在控制脉冲的作用下， 通电方向顺序按照aa bb aa b b 四个状态周而复始进行变化，电机可顺时针转动；通电时序为aa bb aa bb 时，电机就逆时针转动。控制脉冲每作用一次，通电方向就变化一次，使 电机转动一步，即90 度。4 个脉冲，电机转动一圈。脉冲频率越高，电机转动 越快，实际电机的节构要比模型复杂，并且每转一步，一般为1- 8。 23 图 4.1 两相步进电机原理图 步进电机的输出力矩与电机的有效体积、线圈匝数、磁通量、电流成正比， 因此， 电机有效体积越大， 励磁安匝数越大， 定转子间气隙越小， 电机力矩越大， 反之越小。 2.步进电机的驱动器原理 步进电机必须有驱动器和控制器才能正常工作。 驱动器的作用是对控制脉冲 进行环形分配、功率放大，使步进电机绕组按一定顺序通电。 24 图 4.2 步进电机控制系统 以两相步进电机为例，当给驱动器一个脉冲信号和一个正方向信号时，驱动 器经过环形分配器和功率放大后，给电机绕组通电的顺序为aa bb aa b b ，其四个状态周而复始进行变化， 电机顺时针转动； 若方向信号变为负时， 通电时序就变为aa bb aa bb ，电机就逆时针转动。 4.1.2 参考以上电机选择原则及方法，通过计算选择本设计中所需的电机参考以上电机选择原则及方法，通过计算选择本设计中所需的电机 1、电机的减速比 i=(.s)/(360.)=（1.21）/（3601300）= 0.1 式中 -步进电机的步距角（o/脉冲） s -丝杆螺距（mm) -(mm/脉冲） 2转动惯量的计算 由于用步进电机则省去了齿轮的传动比， 以及齿轮的转动惯量的计算所以只 要计算丝杠本身的转动惯量即可， 虽然丝杠上有阶梯但为了计算方便按一个圆柱 体来计算它的转动惯量，而且丝杠与步进电机直接相连则传动比可近似为一，下 面首先计算丝杠的转动惯量，公