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LED芯片製造設備及其工藝介紹

:2017-12-12    :333

 一、上遊外延片生長設備國產化現狀   LED產業鏈通常定義為上遊外延片生長、中遊芯片製造和下遊芯片封裝測試及應用三個環節。從上遊到下遊行業,進入門檻逐步降低,其中LED產業鏈上遊外延生長技術含量最高,資本投入密度最大,是國際競爭最激烈、經營風險最大的領域。在LED產業鏈中,外延生長與芯片製造約占行業利潤的70%,LED封裝約占10%~20%,而LED應用大約也占10%~20%。  

 產業鏈各環節使用的生產設備從技術到投資同樣遵循上述原則,在我國上遊外延片生長和中遊芯片製造的60餘家企業中,核心設備基本上為國外進口,技術發展受製於人,且技術水平尚無法與國際主流廠商相比。這就意味著我國高端LED外延片、芯片的供應能力遠遠不能滿足需要,需大量進口,從而大大製約了國內LED產業的發展和盈利能力。   表1 LED產業鏈概況及關鍵設備介紹   
產業鏈 產品 關鍵設備 上遊 原材料—單晶棒—單晶片—PSS—外延片 單晶片、圖形化襯底PSS、外延片 MOCVD, ICP刻蝕機, 光刻機, PECVD 中遊 金屬蒸鍍—光刻—電極製作(熱處理、刻蝕)芯片切割—測試分選 LED芯片 ICP刻蝕機,光刻機,蒸發台,濺射台,激光劃片機
 下遊 固晶(芯片粘貼)—打線(焊接)—樹脂封裝剪角—應用產品 燈泡、顯示屏、背光源等 固晶機、焊線機等   
上遊外延生長,由於外延膜層決定了最終LED光源的性能與質量,是LED生產流程的核心,用於外延片生長的MOCVD也因其技術難度高、工藝複雜成為近年來最受矚目,全球市場壟斷最嚴重的設備。因此,該設備的國產化受到了國內產業界的熱捧,一些企業和研究機構也啟動了MOCVD的研發,但何時能實現產業應用還是個未知數。   
此外,伴隨LED外延技術的不斷創新,特別是藍寶石襯底(PPS)加工技術的廣泛應用,藍寶石襯底刻蝕設備也逐漸成為LED外延片製造技術核心關鍵工藝設備之一,其工藝水平直接影響到成膜性能,越來越受到產業界的關注。作為國內半導體裝備業的新星,北方微電子借助多年從事半導體、太陽能高端設備製造的技術優勢,為LED生產領域的刻蝕應用專門開發了ELEDETM330ICP刻蝕設備,並已成功實現了PSS襯底刻蝕在大生產線上的應用,這可以稱得上是LED生產設備國產化領域的突破,勢必對LED設備國產化起到推動和帶頭作用。  
 二、中遊芯片製造主要設備現狀   
中遊芯片製造用於根據LED的性能需求進行器件結構和工藝設計。主要設備主要包括刻蝕機、光刻機、蒸發台、濺射台、激光劃片機等。  
 1.刻蝕工藝及設備   刻蝕工藝在中遊芯片製造領域有著廣泛的應用(見表2),而隨著圖形化襯底工藝被越來越多的LED企業認可,對圖形化襯底的刻蝕需求也使ICP刻蝕機在整個LED產業鏈中的比重大幅度提升。更大產能、更高性能的ICP刻蝕機成為LED主流企業的需求目標,在產能方麵要求刻蝕機的單批處理能力達到每盤20片以上,機台具有更高的利用率和全自動Cassette to Cassette的生產流程;由於單批處理數量增大,片間和批次間的均勻性控製更加嚴格;此外,更長的維護周期和便捷的人機交互操作界麵也是麵向大生產線設備必備的條件。而北方微電子所開發的ELEDETM330刻蝕機,集成了多項先進技術,用半導體刻蝕工藝更為精準的設計要求來實現LED領域更高性能的刻蝕工藝,完全滿足大生產線對幹法刻蝕工藝的上述要求。  
 2.光刻工藝及設備   光刻工藝是指在晶片上塗布光阻溶液,經曝光後在晶片上形成一定圖案的工藝。LED芯片生產中通過光刻來實現在PSS工藝中形成刻蝕所需特定圖案掩模以及在芯片製造中製備電極。LED光刻工藝主要采用投影式光刻、接觸式光刻和納米壓印三種技術。接觸式光刻由於價格低,是目前應用主流,但隨著PSS襯底普及,圖形尺寸精細化,投影式光刻逐漸成為主流。納米壓印由於不需光阻,工藝簡單,綜合成本較低,但由於重複性較差,還處於研發階段。  
 表2 LED上中遊刻蝕設備的應用  
刻蝕工藝應用 刻蝕工藝分類 說明 上遊 圖形化襯底 緩解異質外延生長中氮化物外延層由於晶格失配引起的應力,大大降低氮化物材料中的位錯密度,提高器件的內量子效率。 
中遊 同側電極刻蝕 對於采用絕緣襯底的LED芯片,兩個電極需要做在器件的同一側。因此,這就要采用蝕刻方法暴露出N型層以製作N型電極。 表麵微結構 在芯片表麵刻蝕大量尺寸為光波長量級的小結構,以此擴展出光麵積,改變光在芯片表麵處的折射方向,從而使透光效率明顯提高。 表麵粗糙化 將那些滿足全反射定律的光改變方向,繼而在另一表麵或反射回原表麵時不被全反射而透過界麵,並能起防反射的功能。 器件隔離 刻蝕GaN,AlGaN,AlGaInP,刻蝕到襯底部分。將整張芯片劃分成LED芯粒。   
國內LED生產用接觸式光刻機主要依賴進口,投影式光刻機多為二手半導體光刻機翻新。而鑒於國內光刻設備生產企業的技術基礎和在翻新業務中取得的經驗積累,相信假以時日開發出國產的LED光刻設備的前景一片光明。納米壓印是通過模版熱壓的技術製備納米。
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