Уже в 2007 году, в одном из докладов на пекинской конференции Международной Комиссии по Освещению, была особо отмечена важность экономичности и экологичности как уже используемых, так и еще только разрабатываемых, более совершенных светотехнических изделий.

Первоочередной акцент был сделан докладчиками на более рациональное и эффективное использование света. И это вовсе не было призывом как-то уменьшать освещенность. В качестве одного из важнейших шагов к данной цели выделяется разработка и внедрение энергетически более эффективных и экологически безопасных источников света — светодиодов.

Высокотехнологичная отрасль

Светодиоды — это полупроводниковые электротехнические изделия, предназначенные для получения света благодаря проходящему через p-n-переход электрическому току. Но ведь не каждый p-n-переход излучает свет.

Чтобы получить свет от полупроводника, необходимо соблюсти определенные условия: запрещенная зона перехода на полупроводнике должна иметь такую ширину, чтобы энергия получаемых квантов оказалась близка к энергии квантов света видимого диапазона, при этом вероятность излучения в процессе рекомбинации электронно-дырочных пар должна получиться высокой.

Для соблюдения названных условий, изготавливаемый кристалл должен иметь минимум дефектов, приводящих к рекомбинации электронов с дырками без излучения. Этого достичь не просто, одного p-n-перехода будет недостаточно, приходится создавать многослойные полупроводниковые структуры — гетероструктуры, положившие, кстати, в свое время начало новому этапу на пути развития технологии производства светоизлучающих диодов.

Создание светодиодов сопряжено с определенными препятствиями, ведь эта светотехническая отрасль все время развивается, и определенных устоявшихся регламентов в ней до сих пор не существует.

Процесс производства светодиодов, а также способы их непосредственной эксплуатации, до сих пор не подчиняются каким-то общим документам, поэтому каждый крупный производитель вырабатывает собственные принципы отбора надлежащей продукции.

Международных соглашений нет. И даже несмотря на то, что за последние годы уже достигнуты некоторые очень позитивные результаты, единых требований к led-технике по-прежнему не выработано. И сейчас вы все поймете, поскольку далее мы рассмотрим поэтапно технологию производства светодиодов.

Формирование кристалла

Кристалл светодиода выращивается. Ключевой процесс во всей этой цепочке называется металлоорганической эпитаксией, при которой реализуется ориентированный эпитаксиальный рост кристалла на подложке.

Полупроводник выращивается путем термического пиролиза (разложения) металлорганических соединений, в которых содержатся нужные химические элементы. Тут обязательно присутствие чистых газов, наличие которых обеспечивается современными установками.

Выращиваемый слой должен иметь определенную толщину, которая контролируется в ходе процесса эпитаксии. При этом структура на поверхности подложки должна получиться однородной.

Надежные и качественные установки для осуществления эпитаксиального роста стоят очень дорого, а процесс получения материалов высокого качества для производства качественных светодиодов длится не один год.

Изготовление чипов

Для получения чипа, выращенный на подложке кристалл подвергают травлению, затем создают контакты и нарезают полученный образец на кусочки. Это называется «планарная обработка пленок». Одну целую пленку разрезают на тысячи маленьких чипов.

Сортировка чипов

Сортировка нарезанных чипов называется биннированием. Бины — это группы. Сортировка очень важна, но о ней часто забывают, разбирая процесс создания светодиодов.

Суть в том, что при любом производстве важно произвести отбор качественной продукции, а также отсортировать продукт по параметрам, по определенным критериям, что особенно важно для светодиодов. На стадиях эпитаксии, и после нарезки, невозможно получить тысячи абсолютно идентичных по характеристикам кристаллов (чипов).

Так или иначе их характеристики будут разниться, и окажутся в некотором достаточно широком диапазоне параметров. Именно поэтому чипы необходимо отсортировать по характеристикам в группы (бины), чтобы в каждой группе были чипы с определенным значением какого-то параметра, подходящие под требования диапазона той или иной группы: по длине волны, по напряжению, по световому потоку и т. д.

В результате биннирования светодиоды будут разделены по областям применения и даже по наименованиям. Одни пойдут на одни цели, другие — на другие. Круг потребителей продукта расширится.

Почти готовый светодиод

Непосредственно готовый светодиод получается на заключительном этапе технологической цепочки. Здесь создается корпус будущего источника света, припаиваются выводы, подбирается подходящий люминофор. Выбирается оптическая система, форма и параметры линзы.

Линзы изготавливают из различных материалов (эпоксидная смола, пластик, силикон). В зависимости от требований выбирают материал оптической системы. Требования очень широки, ведь именно оптическая система будет играть решающую роль в том, как будет направлен световой поток, каким будет телесный угол и т. д.

Особенности линз

Линзы должны быть по возможности максимально прозрачными, пропускать свет во всем видимом диапазоне. При этом линза должна хорошо приклеиться к материалу печатной платы, быть термостабильной на протяжении всего срока службы. Это значит, что линза не должна пострадать от излучения кристалла и химического воздействия люминофора, если он применен.

Процесс производства светодиодов на заводе ОПТОГАН:

Светодиоды

Светодиоды не зря считаются лучшими источниками света. Они отличаются малой потребляемой мощностью, отсутствием вредных компонентов, таких как ртуть, безопасным напряжением питания, высокой надежностью, компактностью и другими полезными качествами.

Именно светодиоды позволяют строить системы освещения и осветительные приборы самых разных форм и размеров, при этом высокого качества: прожекторы, светодиодные ленты, светильники, лампы, панели и т. д.

Неоспоримо одно — светодиодное направление в светотехнической отрасли динамично развивается во всем мире. Технология является предметом внимания высококлассных специалистов и ученых из многих стран. В ближайшем будущем однозначно будут достигнуты еще более впечатляющие показатели.

Смотрите также по этой теме:

Источник

Выращивание кристаллов для светодиодов

Светодиодные технологии проникают в каждый дом. Люди всё чаще отказываются от ламп накаливания и люминесцентных осветительных приборов в пользу экологически чистых, безопасных и экономичных образцов. Сейчас большинство производителей низшего уровня изготавливают эти устройства методом лазерной нарезки кристаллографических пластин. На них наносится слой светонепроницаемой пыли, после чего происходит процесс разрезания квадратиков. Они наклеиваются на подложку при помощи ультрафиолетового прозрачного токопроводящего клея. Такая система не может быть долговечной из-за своего внутреннего устройства. Она рано или поздно начнёт давать расслоения, поэтому происходит преждевременный выход из строя. В нашем интернет-магазине «ПрофЭлектро» продаются только осветительные светодиодные технологии с выращенным кристаллом. Это означает, что для каждого экземпляра создаётся уникальный материал, строго подходящий под особенности и геометрические параметры. Это высокотехнологичное производство, недоступное кустарным фабрикам.

Мы рассмотрим технологию выращивания кристаллов на так называемых сапфировых подложках. Они позволяют получить поразительное качество при достаточно невысокой стоимости. Весь процесс сводится к получению элемента, способного без сбоев проводить электрический ток. Чем меньше мертвых зон в сечении, тем точнее получаются световые характеристики. Чистота напрямую влияет на срок службы, устойчивость к перепаду напряжения и генерируемый спектр. Сапфировая подложка является точкой отсчёта для нарастания слоёв кристаллической массы с определенной структурой. Его идеальная кристаллическая решетка лежит в основе большого количества процессов в радиоэлектронике.

Основы процесса

Сапфировые подложки качественно калибруют на этапе сортировки. Далеко не все образцы проходят подбор, ведь их скрытые дефекты обязательно дадут неровный кристалл, обеспечивающий неправильное свечение. Наращивание происходит обязательно в присутствии инертного газа, что гарантирует отсутствие оксидов на поверхности. Регулировка температуры позволяет делать послойную структуру с металлами, вызывающими свечение. Если быть более точными, то используются сложные многокомпонентные сплавы, позволяющие долговременную эксплуатацию. Описание процесса звучит солидно, но толщина наращивания составляет всего 5‒7 микрометров. Это и есть основа каждого светодиода. Его рабочая часть невидима для невооруженного глаза. Весь процесс наращивания длится около 6‒7 часов. Кристаллизация достигается при помощи перепадов температур. Достаточно пропустить электрический ток через полученную структуру для достижения свечения. Подаваемое напряжение должно обладать определенным сводом параметров для лучшего соотношения долговечности и яркости.

Количество заряжаемых одновременно в камеру светодиодов постоянно увеличивается, что снижает стоимость осветительного прибора. В данный момент наиболее продвинутые производители обладают устройствами, позволяющими одновременное выращивание до 5000 кристаллов. Проблема количества в промышленных масштабах решается только количеством камер. Повышение ёмкости влечёт снижение стоимости.

Что касается концентрации металлов или точнейшего соблюдения толщины наращиваемого слоя, то здесь практически невозможно что-либо предсказывать. Каждый производитель имеет собственные секреты, но они составляют коммерческую тайну. Поэтому сложно что-либо утверждать.

Свечение светодиода

В основе функционирования лежит элементарное преобразование электрической энергии в поток света. Потенциалы отрицательного и положительного заряда могут быть неравномерными, что сильно влияет на излучаемый спектр. Для подведения контактов внутрь кристалла используется расслоение при помощи алмазных лезвий крайне малой толщины. Она немного раздвигают слои, а туда вставляются позолоченные или золотые контакты. Рассмотреть эти проводники можно только при сильнейшем увеличении.

Подаваемое напряжение позволяет регулировать спектральный состав луча. Именно поэтому существуют светодиодные лампочки с холодным и тёплым светом.

После этого кристаллическая поверхность закрывается при помощи люминофора, которые обеспечивает определенную проходимость излучения. Он играет роль спектрального фильтра. От качества покрытия напрямую зависит качество освещения поверхностей, а также долговечность устройства, ведь верхний кристаллический слой в условиях контакта с воздухом может осыпаться.

От защитного люминофора и зависит долговечность работы прибора. На самом деле срок в 50000 часов не является пределом. Просто светодиод будет работать более тускло, но его основная функция будет сохранена. В данный момент существуют различные решения с практически вечным свечением, но их применение в быту нецелесообразно.

Источник

Как выращивают кристаллы для светодиодов

Знаете ли вы, что температура солнца настолько высокая, что всего кусочек солнечного ядра размером с булавочную головку, способно расплавить всё живое на Земле на расстоянии 140 километров? Хотя человечество никогда не смогло бы повторить нечто подобное, всё же, световая отдача светодиодов почти приравнивается к источнику света.

К примеру, световая отдача солнца 92 люмен/ватт. Светодиодная цокольная лампа в 10 Вт – 86 люмен/ватт.

Известно, что в лабораторных условиях светодиодные лампы достигли предела до 300 люмен/ватт! Но это пока не для массового производства.

Итак, с помощью чего стало возможным такое освещение? И можно ли не в лабораторных условиях повторить нечто подобное?

Основы процесса

Сам процесс довольно трудоёмкий и дорогостоящий. Выполняется в стерильных лабораторных условиях. Какие исходные материалы необходимы для производства светодиодных ламп?

• кристаллы сапфировой подложки;
• алюминиевые платы;
• драйверы;
• люминофор;
• корпуса;
• линзы из силикона, пластика или стекла.​​​

Этапы выращивания светодиодов

Формирование чипов . Сапфировая подложка подвергается термической обработке в камере с газовой смесью, в которой отсутствует воздух. В процессе нагревания на подложке образуется кристаллическая тонкая решётка, на которую напыляют контакты и разделяют на чипы.

Сортировка . Полученные чипы сортируют на группы с одинаковыми параметрами: размеру волны, напряжению и мощности.

Сборка . Теперь приступают к сборке светодиодов,которые состоят из чипов, линзы, корпуса и люминофора.

Контрольный этап . Собранная модель проходит проверку, после чего упаковывается и отправляется на склад.

На самом деле, технология выращивания кристаллов известна только в общих чертах, её тонкости тщательно скрываются производителями. Сложность процесса наращивания кристаллов объясняется тем, что длится почти 7 часов, сопровождается скачками температур и напряжением с определенными параметрами. В России на сегодняшний день действуют всего 3 компании, которые занимаются выращиванием кристаллов с нуля. Находятся в городах – Санкт-Петербург, Томск, Новгород.

Остальные же компании основывают свой бизнес на покупном сырье. Их деятельность состоит из двух циклов работы:

• только сборки светильников из закупленного сырья;
• самостоятельным созданием 2 компонентов: кристаллов и импортных чипов с последующей сборкой.​​​​

Мы рассмотрели только состав светодиодов и поверхностно сам процесс изготовления, оставив без внимания высокотехнологичное оборудование по выращиванию кристаллов.

Конечно, некоторые умельцы пытаются повторить подобное своими руками в домашних условиях, используя всего лишь карбид кремния, пару гвоздей, булавок и паяльник. Но это скорее для тех, кто любит проводить радиолюбительские эксперименты или только учится работать с паяльником. Сам процесс изготовления кристаллов, как и выработка солнечного тепла и света, далеко за пределами нашего понимания и тщательно скрыта от глаз человека.

Источник