毕业设计（论文）- LED灯生产过程质量控制的技术研究.doc

毕业设计（论文）毕业设计（论文） 题 目: led 灯生产过程质量控制的技术研究 作 者: 22 系 （部）： 信息工程系 专业班级： 08 信息工程（1）班 指导教师： 22 职 称： 高级工程师 二一一年四月 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 1 页 共 30 页 摘摘 要要 能源危机、温室效应以及生态环境的日益恶化时刻提醒着人们，地球已经 疲惫不堪，改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率已经成为当前世人的 共识。 由于在世界电力的使用结构中，照明用电约占总用电量的 19；英国布赖 恩?爱德华兹在其编写的可持续性建筑中指出，在英国消耗的全部能源当中， 大约有一半与建筑有关，而建筑的人工照明耗能则占其建筑耗能总量的 1550；在我国照明用电约占全国总用电量的 12，而且我国每年的照明 用电增速（保守估计）大约为 5。各类照明耗能已经成为了各国能源消费的 重要组成部分。照明节能问题也就成了各国政府及专业人员必须面对的棘手问 题。 新型高效光源，特别是白色光源（适用于一般照明）的发展对于大幅度降 低照明用电量具有很重要的作用，因为它可以降低电能消耗增长速度，进而减 少新增电网容量的费用，降低能源消耗以及减少向大气中排放的温室气体及其 他污染物。led，特别是白色光 led，因其与传统光源相比所具有的理论以及现 实的优越性，受到广大专业人士的青睐。它的出现也为照明界开拓出了一个全 新的技术领域，并为照明节能设计提供了更多的选择。led 半导体发光二极管 新型光源逐步取代白炽灯己经成为国际照明领域的潮流。由于 led 的诸多优点 能满足照明灯对节能、安全环保与多功能等多方面的要求，灯具的 led 化己成 为国际上发展方向和主流。我国是世界上最大的潜在汽车市场，今后对比 led 照明灯具的需求将越来越大，开发和完善既能满足大批量的生产又能满足高质 量要求的 led 灯具的制造技术已经成为当务之急. 本文介绍了基于统计过程控制理论，在对照明灯具进行大批量生产过程中 实施其质量控制的一种方法。它以满足 led 灯具的光学设计、结构设计、灯具 散热等关键技术理论及灯具的实验要求为依据，采用合理的统计。 方法，对生产线中定时取样的实验数据进行快速处理，起到预警的作用。 本文所研究的现场质量控制模式不但可以满足 leo 灯具生产厂家的质量控 制要求，而且可以作为产品过程受控的证据，稍加改进后按照一定的格式向主 机厂输出。本方法还可以广泛应用于其他灯具生产现场的质量控制。 关键词关键词:led:led:照明灯具照明灯具; ;生产过程生产过程; ;质量控制质量控制 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 2 页 共 30 页 目目 录录 摘摘 要要1 第一章 绪 论3 1.1 led 灯简介.3 1.2 led 灯应用领域.4 1.3 led 灯的优缺点.5 1.4 led 灯前景.6 第二章 统计质量控制的理论综述7 2.1 统计质量控制的概念与特点 .7 2.2 统计质量控制技术的应用意义 .7 2.3 统计质量控制中常用的两种工具 .8 2.3.1 过程能力 8 2.3.2 控制图 9 第三章 led 灯的通用生产工艺过程及质量控制.12 3.1 led 灯的通用生产工艺过程.12 3.1.1 led 制作流程概述.12 3.1.2 led 芯片生产工艺.13 3.1.3 led 封装工艺流程.14 3.2 led 灯生产过程质量控制.15 第四章 led 灯在生产过程中存在问题及改进手段21 第五章 led 灯质量过程控制的实施效果.24 结束语 .25 参考文献 .26 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 3 页 共 30 页 第一章第一章 绪绪 论论 1.11.1 ledled 灯简介灯简介 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 发光二极管 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。 最初 led 用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的 led 在交通信号灯和 大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。以 12 英 寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的 140 瓦白炽灯 作为光源，它产生 2000 流明的白光。经红色滤光片后，光损失 90%，只剩下 200 流明的红光。而在新设计的灯中，lumileds 公司采用了 18 个红色 led 光源， 包括电路损失在内，共耗电 14 瓦，即可产生同样的光效。 汽车信号灯也是 led 光源应用的重要领域。 对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。1998 年发白光的 led 开发成 功。这种 led 是将 gan 芯片和钇铝石榴石（yag）封装在一起做成。gan 芯片发 蓝光（p=465nm，wd=30nm） ，高温烧结制成的含 ce3+的 yag 荧光粉受此蓝光 激发后发出黄色光射，峰值 550nm。蓝光 led 基片安装在碗形反射腔中，覆盖 以混有 yag 的树脂薄层，约 200-500nm。 led 基片发出的蓝光部分被荧光粉吸 收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。现在，对于 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 4 页 共 30 页 ingan/yag 白色 led，通过改变 yag 荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度， 可以获得色温 3500-10000k 的各色白光。这种通过蓝光 led 得到白光的方法， 构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。 上个世纪年代，科技工作者利用半导体结发光的原理，研制成了 发光二极管。当时研制的，所用的材料是，其发光颜 色为红色。经过近 30 年的发展，现在大家十分熟悉的，已能发出红、橙、 黄、绿、蓝等多种色光。 1.21.2 ledled 灯应用领域灯应用领域 (1)显示屏、交通讯号显示光源的应用 led 灯具有抗震耐冲击、光响应速 度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、 三色和单色显示屏，全国共有 100 多个单位在开发生产。交通信号灯主要用超 高亮度红、绿、黄色 led, 因为采用 led 信号灯既节能，可靠性又高，所以在 全国范围内，交通信号灯正在逐步更新换代，而且推广速度快，市场需求量很 大，是个很好的市场机会。 (2) 汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开 关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。汽车用白炽灯 不耐震动撞击、易损坏、寿命短，需要经常更换。1987 年，我国开始在汽车上 安装高位刹车灯。由于 led 响应速度快, 可以及早提醒司机刹车，减少汽车追 尾事故，在发达国家，使用 led 制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准 件，美国 hp 公司在 1996 年 推出的 led 汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯。此外，在汽车仪表板 及其他各种照明部分的光源，都可用超高亮度发光灯来担当，所以均在逐步采 用 led 显示。我国汽车工业正处于大发展时期，是推广超高亮度 led 的极好时 机。近几年内会形成年产 10 亿元的产值，5 年内会形成每年 30 亿元的产值。 (3) led 背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目，led 作为 lcd 背光 源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点， 已广泛应用于 电子手表、手机、bp 机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品日趋小型 化，led 背光源更具优势，因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一 致方面发展。led 是手机关键器件，一部普通手机或小灵通约需使用 10 只 led 器件，而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约 20 只 led 器件。现阶 段手机背光源用量非常大，一年要用 35 亿只 led 芯片。目前我国手机生产量 很大，而且大部分 led 背光源还是进口的，对于国产 led 产品来说，这是个极 好的市场机会。 (4) led 照明光源早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 5 页 共 30 页 个 mcd，适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面 应用。目前直接目标是 led 光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部 应用领域开始发展。日本为节约能源，正在计划替代白炽灯的发光二极管项目( 称为“ 照亮日本“) ，头五年的预算为 50 亿日元，如果 led 替代半数的白炽灯 和荧光灯，每年可节约相当于 60 亿升原油的能源, 相当于五个 1.35 106kw 核电站的发电量，并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生，改善人们生活居 住的环境。我国也于 2004 年投资 50 亿大力发展节能环保的半导体照明计划。 (5) 其它应用例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的 led 会闪烁 发光，仅温州地区一年要用 5 亿只发光二极管；利用发光二极管作为电动牙刷 的电量指示灯，据国内正在投产的制造商介绍, 该公司已有少量保健牙刷上市， 预计批量生产时每年需要 3 亿只发光灯；正在流行的 led 圣诞灯，由于造型新 颖、色彩丰富、不易碎破以及低压使用的安全性，近期在香港等东南亚地区销 势强劲，受到人们普遍的欢迎，正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场。 (6)家用室内照明的 led 产品越来受人欢迎，led 筒灯，led 天花灯，led 日光灯，led 光纤灯已悄悄地进入家庭！ 1.31.3 ledled 灯的优缺点灯的优缺点 1.3.11.3.1 ledled 灯优点灯优点： 1、led 灯高效节能：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、led 灯超长寿命：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、led 灯健康：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、led 灯绿色环保：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、led 灯保护视力：直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产 生频闪）。 6、led 灯光效率高：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、led 灯安全系数高：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、led 灯市场潜力大：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。 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 6 页 共 30 页 1.3.21.3.2 ledled 灯缺点灯缺点： 1、led 灯在交流电驱动下和普通白炽灯一样会有频闪现象，而普通节能灯 没有频闪现象。频闪会使眼睛容易疲劳。 2、每个 led 灯泡的光线过亮，会强烈刺激眼睛，不可直视，哪怕短时间， 而普通节能灯相对要柔和些！ 3、照射角度有限制，一般只能照射 120，而普通节能灯几乎可照射 360 。 4、照射房间的亮度并不比节能灯出色，因为 led 只在直视的狭小角度内有 高亮度，而偏离该角度后光线迅速减弱。 1.41.4 ledled 灯前景灯前景 一、led 灯的优势 （1）不需要充气，不需要玻璃外壳，抗冲击性好，抗震性好，不易破碎， 便于运输。 （2）灯源单元较小，使得布灯更为灵活，而且能够更好地实现夜景照明中 “只见灯光不见光源”的效果。 （3）能够较好地控制发光光谱组成，从而能够很好地用于博物馆以及展览 馆中的局部或重点照明。 （4）理论上具有与传统光源相比更高的发光效率，理论上 led 的发光效率 大于 200lm/w，从而具有相当巨大的节能潜力。 （5）寿命更长，实验室寿命可达 100,000h，且光源可以频繁地亮灭，而 不会影响其寿命，并且启动速度非常快。 （6）可以通过控制半导体发光层半导体材料的禁止带幅的大小，从而发出 各种颜色的光线，且彩度更高。 （7）光源中不添加汞，有利于保护环境。 （8）led 发光具有很强的方向性，从而可以更好地控制光线，提高系统的 照明效率。比如，chips chipalkatti 在美国光电产业发展协会（oida）举办 的半导体照明研讨会上发表的led systems for lighting：where the rubber hits the road指出：尽管 15荧光灯的发光效能大约为 60l/， 但是经过灯具的折减就变为了 35lm/，如果再考虑照射到目标区域以外的光 线，则只有 30lm/。而半导体光源在这些环节上的折减则会少很多。 （9）使用低压直流电，具有负载小、干扰弱的优点。 与传统光源相比，led 特别是白光 led 在一般照明领域中的优势和节能潜 力，使它日益受到政府部门及相关专业人员的关注，也成为了当前半导体研究 领域以及照明产业中的热点。 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 7 页 共 30 页 第二章第二章 统计质统计质量控制的理量控制的理论综论综述述 统计质量控制技术最早形成于 20 世纪 20 年代。从休哈特(shwhart)博士将 统计控制图引入生产过程的监控开始，已经有 80 多年的发展历史。在此期间， 统计质量控制技术经历了不被人们理解和接受到被广泛地应用于生产实践的过 程。这项技术自身也在应用中得到不断发展和完善。 2.12.1 统计质量控制的概念与特点统计质量控制的概念与特点 统计质量控制是根据产品(含零件、组件、部件、原材料等)的抽样数据和 统计分析结果对其质量进行推断，其理论基础是数理统计和概率论。抽样又称 采 样，是从产品中随机地抽出样件，对每一样件进行规定的质量特征项目的技术 指 标的检测或检验。在加工过程抽样中，质量特征指标是在制造过程中或制造过 程 刚完成后进行检侧或检验。 换一个角度看，统计质量控制是为了贯彻预防原则，应用统计技术对过程 中 的各个阶段进行评估和监察，从而保证产品与服务满足要求的均匀性。贯彻预 防 原则是现代质量管理的核心和精髓，为了保证预防原则的实现，必须在生产过 程 中引入统计过程控制，统计过程控制(spc)有下列特点:与全面质量管理相同， 强调全员参加，而不是只依靠少数质量管理人员;强调应用统计方法来保证预防 原则的实现;强调过程管理，强调从整个过程、整个体系出发来解决问题。 2.22.2 统计质量控制技术的应用意义统计质量控制技术的应用意义 统计质量控制技术的应用意义主要表现在以下 3 个方面: 1.统计质量控制技术提供了“面向事实的有效的分析与诊断工具 有效的质量改进始于对质量 lq 题的正确认识。但恰恰在这方面人们往往 犯主观臆想的错误，如人们常常听到这样的话:“这道工序超差严重是工人操作 不仔细造成的，应该对工人的操作严加控制” 、 “这台机器太落后了，保证不了 质量” 。而人们在说这些话时，仅凭着自己的想象或经验。固然，一些质量问题 产生的原困比较直观，凭经验就可以发现这些原因。但大量的质量问题是与许 多因素相关联的，如果缺乏科学的态度和手段，则很难正确认识其产生的主要 原因，有效的纠正也就无从谈起。很多质量问题之所以长期存在，原因就在于 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 8 页 共 30 页 此。统计质量控制技术提供了将质量问题的认识建立在对客观数据的观察和分 析的基础之上的方法，从而使人们对质量问题的认识从臆想出发而变为事实判 断。 2.统计质量控制技术提供了“源头治理”的有效的分析与改进工具 为了说明这个问题，首先来看一下工序能力和工序能力指数的意义及其影 响 因素。工序能力是指工序处于稳定状态下，加工技术水平与加工质量要求间的 适 应程度。在用 cp 表示工序能力时，若 cp1.0，说明此工序即使在受控状态下 运 行，仍然会造成一定的超差。一般说来，工序能力受人、机、料、法、环、测 等 因素的影响，但更主要受加工设备、工艺方法和工艺参数的影响。值得注意的 是， 工序能力不足造成的质量问题是不能用工序加严控制来改善的，因为控制只能 发 现和消除异常因素对质量造成的影响，如材料不合规格、工人不执行工艺规程、 设备出现异常情况或环境出现异常情况等。提高工序能力的关键在于改变工艺 参 数、工艺方法以及加工和测量手段等，也就是要更改工艺设计。从目前开展调 研 的情况来看，工序能力不足是困扰质量的一个大问题.很多重要工序处于工序能 力不足或严重不足状态。因此，对这样的工序，只有改善了工序能力，才能从 根 本上解决加工质量问题。很多应用统计实验设计技术改进工艺设计仅用较小的 投 人就将工序能力提高了的事实说明了这点。 3，统计质量控制技术为企业提供了“注重过程”的有效监控工具 在开展了有效的质量诊断和源头治理的基础之上，运用统计控制图就可以 实 现对过程的有效监控。在生产线上使用控制图，对大批量加工的质量控制的效 果 尤其明显。对大批量加工来说，100%的检验是不经济或不可能的，需要更有效 的 控制方法，而在生产线上使用控制图，可以及时地了解和监控工序的状态。一 旦 工序出现异常变化趋势，从控制图上便可发现，并且在出现超差之前及时纠正。 这样做可以变监控产品为监控过程，真正起到了预防作用。 4.统计质量控制技术满足了企业的迫切需要 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 9 页 共 30 页 西方工业发达国家来华加工定货，一般都要求加工企业在生产线推行 s 陀， 如未推行就认为该企业的产品质量没有保证，拒绝定货。现在，此风愈演愈烈， 甚至一些发展中国家也提出上述要求。我国加入世贸组织 wto 后，可以预计在 国际市场中的竞争将更加激烈，从而各个企业对质量科学的需求将会更加迫切 2.32.3 统计质量控制中常用的两种工具统计质量控制中常用的两种工具 2.3.12.3.1 过程能力过程能力 过程能力是指当制造过程处于统计控制状态时，制造过程输出所固有的正 常变动的范围。按此定义，在生产中，过程能力等于 6 倍的标准方差 或士 36。若制造过程处于统计控制中，则称该过程为稳定状态。在规划产品制造 过程和选择制造过程时，必须保证产品的制造过程的过程能力(又称为固有允差 极限)同产品设计要求的允差(公差)相匹配。 在 led 灯生产过程中进行过程能力控制，对于进一步的产品质量保障有很 大的作用。 1.led 灯生产过程过程能力的计算 在质量工程中，这种匹配关系用过程能力指数 cp，来度量，cp，被定义为: cp=2 容差(公差)/6=2/6 2. led 灯生产过程过程能力的价值 在实际的生产过程中，人们己经越来越多地认识到研究和应用过程能力指 数的必要性: （1）能够合理、全面地反映系统因素、随机因素对过程能力的影响; （2）提高产品的合格率; （3）监控产品的生产过程，有助于查找影响产品质量波动的因素; （4）为推进连续质量改进、提高利润，提供科学的量化指标; （5）由于过程能力指数都是无量纲的简单数，不仅对生产过程的状态提供 了简洁明了的指示，同时也方便了操作员及时发现问题、解决问题，使生产过 程处于较高的过程能力状态，较少损耗，节省开支。 过程能力指数的优势是经过实践检验的，而且几乎每个过程能力指数都有 确定的含义及其自身的特点。因此，如何在实际应用中正确地分析问题、恰当 地选择和使用现有的过程能力指数将是今后统计过程控制研究中堕待解决的问 题。 3.对 led 生产过程使用过程能力控制应注意的问题 使用过程能力指数时也需要注意下面的几个问题: (1)过程的输出变量是否是可以检测的; (2)所研究的过程对象是否处于统计控制状态: (3)设计目标是否位于性能指标容许区间的中心; 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 10 页 共 30 页 (4)过程中的检测变量是否服从正态分布。当检甜变量 x 的分布为非正态分 布时，需特别注意非正态分布带来的影响以及如何降低或削弱这些影响的方法 和途径: (5)没有一个过程能力指数能够适用于所有的过程，而且单个的过程能力指 数很难揭示过程的全貌。因此，在实际应用中，一方面可以适当地选取适合需 求的过程能力指数或选用多个过程能力指数来综合考查过程能力的方法，另一 方面恰当地使用过程能力图也会对过程能力的分析产生很大的帮助。 2.3.22.3.2 控制图控制图 控制图是对过程质量特性值进行测定、记录、评估，在针对 led 生产过程 中质量控制，对其监察其过程是否处于控制状态的一种用统计方法设计的图。 由于可以直接控制与诊断过程，故称为质量管理七个工具的核心(质量管理 七个工具分别是:因果图、排列图、直方图、散布图、控制图、分层法、检查表)。 控制图中有中心线 cl、上控制限制 ucl 和下控限制 lcl，并有按时间顺序抽取 的样本统计量数值的描点序列，参见图 2.1。 图 2.1 控制图示例 在使用过程中，将 ucl ,cl 和 lcl 统称控制线，在判断过程中若控制图中 的描点落在 ucl 与 lcl 之外或描点在 ucl 与 lcl 之间的排列不随机，则可以判 led 生产过程异常。 图 2.2 控制图的演变 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 11 页 共 30 页 图 2.3 x 控制图 控制图是由正态分布图演变而来的，如图 2.2 所示，先将正态分布图按顺 时针方向旋转 90 度由于图中数值上小、下大不符合常规，再将图上下翻转 180 度，最终成为一张控制图，具体说是一张单值(x)控制图。如图 2.3 所示。图中 ucl=u+3 为上控制限，cl=u 为中心线，lcl=u-3 为上控制限，当曲线有一 定的偏移时，反映到控制图上的点是超出了控制线。 控制图有一个很大的优点，即在图中将所描绘的点子与控制界限或规范界 限相比较，从而能够直观地看到 led 产品或服务的质量。但如何去体现在贯彻 预防原则中的作用呢? 情形 1:应用控制图对生产过程进行监控，如图 2.4 所示，如出现上升倾向，显 然过程有问题，故异因一旦出现，即可发现，于是可及时采取措施加以消除， 这当然是预防。但在现场出现这种情形是不多的。 图 2.4 控制图点子形成倾向 情形 2:更经常地是控制图上点突然出界，显示异常，这时必须按照下列 “20 字方针”去做:“查出异因，采取措施，加以消除，不在出现，纳入标准” ，每 执 行一次“20 字方针” ，就消灭一个异因，于是对异因而言，起到了预防的作用。 常规的 led 灯质量控制图主要有: (1)x 图:是表征制造过程给定输出项(指标的渊得值)的均值随时间的变 化情况。按照制造过程的进行，成组抽样，将每组测得值的算术平均值画在控 制 图中而获得。 (2) r 图:在 r 图中给出的是每组抽样的范围。它用来监视过程的变化和指 示过程偏差范围随时间的变化特性。 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 12 页 共 30 页 (3)p 图:画入 p 图的是每组抽样中废品所占的百分数。它主要用来控制废 品率。当废品率超过上控制限时，表征该过程已偏离了统计控制范围。 (4)c 图:它是将每次抽样样品中的废品顺序件号、件数或计数画在控制图 中，用于表征废品件号或件数随时间的变化状况。 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 13 页 共 30 页 第三章第三章 ledled 灯的通用生产工艺过程及质量控制灯的通用生产工艺过程及质量控制 3.13.1 ledled 灯的通用生产工艺过程灯的通用生产工艺过程 3.1.13.1.1 ledled 制作流程概述制作流程概述 led 的制作流程包括上游的单晶片衬底制作、外延晶片生长；中游的芯片、 电极制作、切割和测试分选；下游的产品封装。 图 3.1.1 led 制作流程图 制程：金属蒸镀 光罩腐蚀 热处理（正负电极制作） 切割 测试分选 成品：芯片 晶片：单晶棒（砷化镓、磷化镓） 单晶片衬底 在衬底上生 长外延层 外延片 成品：单晶片、外延片 封装：固晶 焊线 树脂封装 切脚 测试分选 成品：led 灯珠、led 贴片和组件 上游 下游 中游 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 14 页 共 30 页 3.1.23.1.2 ledled 芯片生产工艺芯片生产工艺 led 照明能够应用到高亮度领域归功于 led 芯片生产技术的不断提高，包 括单颗晶片的功率和亮度的提高。led 上游生产技术是 led 行业的核心技术， 目前在该技术领先的国家主要日本、美国、韩国，还有我国台湾，而我国大陆 在 led 上游生产技术的发展比较靠后。下图为上游外延片的微结构示意图。 p 型 gan p 型 algan ingan 量子阱（well） n 型 ingan n 型 algan gan 缓冲层（buffer） 蓝宝石衬底（subatrate） p 型 gan n 型 gan 正极 负极 生产出高亮度 led 芯片，一直是世界各国全力投入研制的目标，也是 led 发的方向。目前，利用大功率芯片生产出来的白光 1w led 流明值已经达能到 150lm 之高。 led 上游技术的发展将使 led 灯具的生产成本越来越低，更显 led 照明的优势。以下以蓝光 led 为例介绍其外延片生产工艺如下：首先在衬 低上制作氮化鎵(gan)基的外延片,这个过程主要是在金属有机化学气相沉积外 延片炉(mocvd)中完成的。准备好制作 gan 基外延片所需的材料源和各种高纯的 气体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。常用的衬底主要有蓝宝 石、碳化硅和硅衬底,以及 gaas、aln、zno 等材料。 mocvd 是利用气相反应物(前驱物)及族的有机金属和族的 nh3 在衬底 表面进行反应,将所需的产物沉积在衬底表面。通过控制温度、压力、反应物浓 度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。mocvd 外延炉是制作 led 外 延片最常用的设备 然后是对 led pn 结的两个电极进行加工，电极加工也是制作 led 芯片的关 键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻、熔合、研磨；然后对 led 毛片进 行划片、测试和分选，就可以得到所需的 led 芯片了。 图 3.1.2 蓝光外延片 微结构图 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 15 页 共 30 页 基板（衬底） 磊晶制程（扩 散、溅射、化 学气相沉淀） 磊晶片 清洗 蒸镀 黄光作业 化学蚀刻 熔合 研磨 切割 测试 单晶炉、切片机、磨片机等 外延炉 （mocvd） 清洗机 蒸镀机、电子枪 烘烤、上光阻、照相曝光、显影 刻蚀机 减薄机、清洗机 切割机 探针测试台、 颗粒度检测仪 3.1.33.1.3 ledled 封装工艺流程封装工艺流程 以大功率 led 封装产品为例，介绍它的封装制程如下： 图 3.1.3 led 生产流 程 图 3.1.3 大功率 led 封装制程 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 16 页 共 30 页 扩晶 框晶 晶片银胶 解冻 搅拌 固晶 烘烤 焊线 灌胶長烤点胶 固检 推力检查 拉力检查 支架金線胶荧光粉 lens 测试 包裝 入库 品检 外观 分bin qa 切脚 测试 搅拌 配胶 抽气 套 lens 搅拌 配胶 抽气 3.23.2 ledled 灯生产过程质量控制灯生产过程质量控制 根据 led 的优缺点，led 灯的设计思想与点光源白炽灯的设计思想完全不 同，必须采用 led 多光源阵列设计策略，因此 led 灯具的设计必须从光学、电 学、 热学与结构等各种影响质量的因素综合考虑,在生产过程中做好各方面的质量控 制。 3.2.13.2.1 ledled 灯生产过程质量控制的实验分析灯生产过程质量控制的实验分析 对 led 灯质量控制的最终的目的是使其满足设计和实验技术要求。目前 led 车灯的实验技术要求主要考察总成车灯的性能和 led 单元的性能，在实验过程 中除了进行总成性能实验外，还需要将 led 单元单独进行一些性能实验，两者 的结果必须同时合格才能通过考核。为此有必要将两者的实验内容进行研究并 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 17 页 共 30 页 反馈到设计、加工、控制中去。由于本文主要涉及的是 led 照明灯，重点在于 led 单元工艺的控制，只对相关的实验项目进行研究。 3.2.23.2.2 ledled 灯相关实验项目的分析灯相关实验项目的分析 对于 led 灯而言，由于 led 单元的存在，实验项目、方法就更丰富了。按 测试的项目种类来分，大体上可以考虑下列实验项目:配光实验、寿命实验、环 境实验、冲击实验、电气实验。 配光实验主要是考察 led 自身的光学性能以及 led 灯光学系统的性能，对 于任何种类的照明灯而言，配光性能是属于国家和主机厂的强制性要求，在设 计光学系统、选择光源种类、数量的同时就必须慎重考虑，尽量留出设计余量 作为今后的加工补偿。 寿命实验包含了高温工作实验和低温工作实验等，主要考察车灯在使用过 程中的使用寿命情况，在高低温的环境下正常点亮，验证 led 单元没有异常出 现。 环境实验包含了高温放置实验、温湿度循环实验、腐蚀实验等，主要考察 灯在一些极端环境下的变化，验证 led 单元的性能。 电气实验包括了一系列电气内容的实验项目，主要是为了比较车灯在其它 的一些性能实验前后的电气性能的变化，如电流、电阻的变化等。 在列举了大量需要验证的实验内容后，需要进一步进行实验流程设计，实 验流程设计的好坏直接影响到实验结果也最终影响到实验的模拟程度，一般来 讲，进行实验流程设计时不应该使用并行实验，即每个实验内容都使用不同的 灯具单独做，相互之间没有任何联系。同时实验流程如图 3.2.1 所示有必要对 同一个灯具按顺序进行几项相关的实验，以此来提高实验的难度。 图 3.2.1 led 灯的实验流程设计 图 3.2.1 led 灯的试验流程设计 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 18 页 共 30 页 1.高温工作试验 高温工作试验条件如表 3.2.2: 表 3.2.2 高温工作试验条件表 试验后，在环境温度 25时，在设计电压中测定中心光强和工作电流，得出与 初期特性值的变化率。 确定 led 单元各组件有无异常。如有必要，对 led 芯片进行确认。 2、低温工作试验 图 3.2.3 低温工作实验条件 试验后，在环境温度 25时，在设计电压中测定中心光强和工作电流，得 出 与初期特性值的变化率。 确定 led 单元各组件有无异常。如有必要，对 led 芯片进行确认。 3.高温放置试验 高温放置试验条件如表 3.2.4 所示: 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 19 页 共 30 页 表 3.2.4 高温放置试验条件表 试验后，在环境温度 26时，在设计电压中测定中心光强和工作电流，得 出与初期特性值的变化率。 确定 led 单元各组件有无异常。如有必要，对 led 芯片进行确认。 4.温湿度循环试验 把试验样品按正常状态下放入试验箱内，按图 2.2.3 的循环，进行放置试 验。 根据当事者的协议，可用灯具总成进行试验。 (l)作为前处理，把试验样品置于劝士 3的环境里 30 分钟以上之后，再 置于 25 士 3，65 士 5%的环境里 30 分钟以上。 (2)之后，在湿度 9098 写下，在 2 小时内升温到 65 士 3，保温 3 小时， 再在 2 小时内降温到 25 士 3，此试验进行 2 个循环。 (3)回到 25后，在一 10 士 3环境中保持 3 小时，再放回到 25。在此 期间，保持湿度，这样的试验以 24 小时为一个循环。 （4）同样的循环进行 10 次。 (5)试验后，在环境温度 25时，在设计电压中测定中心光强和工作电流， 得出与初期特性值的变化率。 确定 led 单元各组件有无异常。如有必要，对 led 芯片进行确认。 3.2.33.2.3 ledled 灯光学设计策略灯光学设计策略 1 配光和光形分布 如图 3.2.5 所示:led 信号灯需要达到法规要求的配光要求和光形分布. 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 20 页 共 30 页 图 3.2.5 led 信号灯的配光要求和光形分布 由图 3.2.5 可以看出大部分信号灯的配光需要是椭圆分布，由于 led 输出 光形是一个圆形的光形分布，所以通常的设计是利用反射镜或配光镜从 led 投 射出的圈形光形中收集光线，再投射出去，往往会投射到一些没有要求的区域 里，直接查成了光损失，控制策略如图 3.2.5 所示，可以把 led 的顶部修成椭 圆状，设计针对 led 顶部球体部分光线的反射体来增强中心的光线，减少光损 失。 当使用 led 光路时，尽计灯具的厚度可以设计地很薄，但往往按普通设计， 光形显得不够均匀.控制策略可以用划分非涅尔透镜的投射光束来设置等光通苛 以域如图 3.2.6 所示)，划分反射而来设置相等的区域来建立反射面基础曲线， 增加局部曲率来达到不同的光形分布效果。 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 21 页 共 30 页 图 3.2.6 建立反射面基础曲线 用 led发光二极管)作为照明灯灯的光源所产生的热问题不同于灯泡照明 的灯具。led 虽然是半导体发光器件，但是仍然有 70%以上的电功率要转化为热 量，必须有适当的散热策略散走热量，否则 led 的温度就会过高，而使发光性 能下降，乃至失效。二极管结温一般要求不超过 125，当温度超过这一温度 范围时一般会引起下面几个问题: 第一，辐射的照度随着温度升高而降低，也就是效率降低。 第二，封装材料发生变化。一般来说，发光二极管的封装材料为环氧树脂 或者塑料，他们在温度较高时发生变质或者变暗，这都影响 leo 的使用质量。 第三，温度升高时，由于各部分受热不均匀，在各局部会产生热应力，严 重时会破坏二极管节点、连线等结构。 以上几个方面都要求有良好的散热控制策略，使 led 能在给定环境下以最 高的功率工作，从而提高比 led 灯的质量。散热不仅仅对 led 自身而言，还包 括相应的冷却系统能有效地将热量带走，目前有很多方法可以用来控制散热系 统的热阻，提高散热的效率。最简单的方式是加大散热片，但由于需要占用较 大的空间，因此使用中会有局限性。此外，还可考虑采用主动散热系统，如借 用风扇，或用液体冷却系统。当然也可采用利用其他物理效应制作的散热系统， 如拍尔帖致冷器、热导管等尽快并且有效地将热量从产生的地方传导出来，控 制温度。 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 22 页 共 30 页 第四章第四章 ledled 灯在生产过程中存在问题灯在生产过程中存在问题及改进手段及改进手段 在 led 灯生产过程中存在吸湿问题和湿度控制问题： 发光二极管产品一直以低消耗，高寿命，耐候性能好等优势逐步成为光电 显示领域宠儿，尤其是近年来的固态照明领域，大功率发光二极管已经越来越 受到业界的青睐。 发光二极管产品分为：点阵数码管、lamp、top view、side view、大功率 等很多品种，但是这些品种都有一个共同点就是都是存在树脂和支架的非气密 闭封装结合。所以都属于潮湿敏感性元件，而潮湿敏感性元件暴露在回流焊接 期间升高的温度环境下，陷于树脂的表面贴装元件(smd, surface mount device)内部的潮湿会产生足够的蒸汽压力损伤或毁坏元件。常见的失效模式包 括树脂从芯片或引脚框的内部分离(脱层)、导线损伤、芯片损伤和不会延伸到 元件表面的内部裂纹等。在一一些极端的情况中，裂纹会延伸到元件的表面； 最严重的情况就是元件鼓胀和爆裂(叫做“爆米花”效益)。 改进思路及改进方法： ipc - 美国电子工业联合会制订和发布了 ipc-m-109, 潮湿敏感性元件标 准和指引手册。它包括以下七个文件： ipc/jedec j-std-020 塑料集成电路(ic)smd 的潮湿/回流敏感性分类 ipc/jedec j-std-033 潮湿/回流敏感性 smd 的处理、包装、装运和使用标 准 ipc/jedec j-std-035 非气密性封装元件的声学显微镜检查方法 ipc-9501 用于评估电子元件(预处理的 ic 元件)的印刷线路板(pwb, printed wiring board)的装配工艺过程的模拟方法 ipc-9502 电子元件的 pwb 装配焊接工艺指南 ipc-9503 非 ic 元件的潮湿敏感性分类 ipc-9504 评估非 ic 元件(预处理的非 ic 元件)的装配工艺过程模拟方法 其中在 ipc/jedec j-std-020 定义了潮湿敏感性元件，即由潮湿可透材料 诸如塑料、树脂所制造的非气密性包装的分类程序。该程序包括暴露在回流焊 接温度接着详细的视觉检查、扫描声学显微图象、截面和电气测试等。 ipc/jedec j-std-020 还把潮湿敏感性元件分为八个等级，分别是： 1 级 - 30c / 85% rh 无限车间寿命 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 23 页 共 30 页 2 级 - 30c / 60% rh 一年车间寿命 2a 级 - 30c / 60% rh 四周车间寿命 3 级 - 30c / 60% rh 168 小时车间寿命 4 级 - 30c / 60% rh 72 小时车间寿命 5 级 - 30c / 60% rh 48 小时车间寿命 5a 级 - 30c / 60% rh 24 小时车间寿命 6 级 - 30c / 60% rh 72 小时车间寿命 (对于 6 级，元件使用之前必 须经过烘焙，并且必须在潮湿敏感注意标贴上所规定的时间限定内回流)。 发光二极管一般都属于 2a、3、4 三个级别，其中 smd 属于 3 级，top view、side view 属于 4 级。所以相应的生产制程时间都是要控制在其要求的范 围内。 目前 smd 产品包括 top view、side view 在客户回流焊的时候出现死灯现 象是目前这个业界的一个通病，而吸湿控制也是解决这个问题的一个有效方法。 1缩短产品制程时间，严重按照等级要求控制产品成型后空气中的置放时 间。 2对宜吸湿原物料生产前做烘焙除湿处理。烘焙的时间/温度要以该物料 的特性来定。 3控制生产现场的温度/湿度，半产品放置在防潮柜中。 4对产品进行烘焙除湿处理。 5对产品进行真空包装。 6对长期放置产品使用前烘焙除湿处理。 其中产品包装和烘焙，ipc/jedec j-std-033 提供处理、包装、装运和烘焙 潮湿敏感性元件的推荐方法。重点是在包装和防止潮湿吸收上面 - 烘焙或去湿 应该是过多暴露发生之后使用的最终办法。干燥包装涉及将潮湿敏感性元件与 去湿剂、湿度指示卡和潮湿敏感注意标贴一起密封在防潮袋内。标贴含有有关 特定温度与湿度范围内的货架寿命、开袋之后的暴露时间、关于何时要求烘焙 的详细情况、烘焙程序、以及袋的密封日期。 1 级。装袋之前干燥是可选的， 装袋与去湿剂是可选的、标贴是不要求的，除非元件分类到 235c 的回流温度。 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 24 页 共 30 页 2 级。装袋之前干燥是可选的，装袋与去湿剂是要求的、标贴是要求的。 2a 5a 级。装袋之前干燥是要求的，装袋与去湿剂是要求的、标贴是要求的。 6 级。装袋之前干燥是可选的，装袋与去湿剂是可选的、标贴是要求的。 当然由于包装袋的原因我们对产品的干燥可以使用去湿或烘焙两种方法。 1、室温去湿。使用标准的干燥包装方法或者一个可以维持 25c5c、 湿度低于 10%rh 的干燥箱，放置 5 倍的空气暴露时间，以恢复原来的车间寿命。 2、烘焙。对基于级别和包装厚度的干燥前与后的包装，有一些烘焙的推荐 方法。预烘焙用于干燥包装的元件准备， 而后烘焙用于在车间寿命过后重新恢 复元件。请查阅并跟随 j-std-033 中推荐的烘焙时间/温度。烘焙温度可能通过 氧化焊垫或引起过多的金属间增生(intermetallic growth)而降低焊垫的可焊 接性；另外烘焙除湿如果是产品卷带包装后的产品，所以必须要考虑烘焙对包 装上下带封合的影响。 ipc 的干燥包装之前的预烘焙推荐是： 1包装之前，封装厚度小于或等于 1.4mm：对于 2a 5a 级别，125c 的 烘焙时间范围 828 小时，或 150c 烘焙 414 小时。 封装厚度小于或等于 2.0mm：对于 2a 5a 级别，125c 的烘焙时间范围 2348 小时，或 150c 烘 焙 1124 小时。 2车间寿命过期之后，封装厚度小于或等于 1.4mm：对于 2a 5a 级别， 125c 的烘焙时间范围 414 小时，或 40c 烘焙 59 天。 封装厚度小于或等 于 2.0mm：对于 2a 5a 级别，125c 的烘焙时间范围 1848 小时，或 40c 烘 焙 2168 天。 3卷带包装产品笔者也进行了几组试验 ，烘焙 smd 产品先在 30c / 80% rh 放置 336 小时以上。 改进小结改进小结 要想在市场上立于不败之地，就要满足超严格质量要求，生产出世界级质 量 的产品，这就需要采用先进的技术科学与先进的管理科学。一般说来，先进的 技 术科学可以提高产品质量指标的绝对值，而先进的质量科学则可以在现有条件 下 将其质量波动调整到最小.这就好比一辆摩托车的两个轮子，二者缺一不可.推 行质量科学管理就是贯彻先进的科学管理。 对 leo 灯而言，如何通过控制 led 灯加工过程中的质量来达到稳定的质 量输出，这是各生产企业对 leo 灯追求的目标。 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 25 页 共 30 页 衢州职业技术学院信息工程系毕业设计（论文） 第 26 页 共 30 页 第五章第五章 ledled 灯质量过程控制灯质量过程控制的实施效果的实施效果 通过对 led 灯过程控制中所采取的过程控制，在很大程度上提高了 led 灯 的质量，避免了很多过