Công nghệ sản xuất Wafer LED, Dies LED, COB LED, Modules và Engines LED

Thứ ba - 19/01/2016 04:07
Công ty đèn led OLED VN tư vấn thiết kế hệ thống chiếu sáng nhà xưởng công nghiệp, công trình công cộng - Hiệu quả 100%, bóng đèn led nhà xưởng tiết kiệm điện, tiết kiệm chi phí đầu tư và đáp ứng về Tiêu chuẩn chiếu sáng nhà xưởng.
OLED
OLED


Công nghệ sản xuất Wafer LED, Dies LED, COB LED, Modules và Engines LED
- Công nghệ epitaxy chùm phân tử
- Công nghệ LED blue: Hệ thống InGaN/GaN
- Quá trình tạo chip LED
- COB LED - Engines LED
Công nghệ epitaxy chùm phân tử
• Hiện nay các vi mạch bán dẫn thường được chế tạo từ tấm đế đơn tinh thể silic mỏng (còn gọi là Wafer) qua kỹ thuật chế tạo màng mỏng bán dẫn bằng cách sử dụng các chùm phân tử lắng đọng trên đế đơn tinh thể trong chân không siêu cao (áp suất nhỏ hơn 10-9 Torr) để thu được các màng mỏng đơn tinh thể có cấu trúc tinh thể gần với cấu trúc của đế. Kỹ thuật này còn được gọi là epitaxy chùm phân tử (Molecular Beam Epitaxy- MBE) phát minh tại Bell Telephone Laboratories.
 • Đặc điểm cơ bản nhất của MBE là các màng mỏng đơn tinh thể được cấy từ lớp đế với tốc độ thấp và có độ hoàn hảo cao, cho phép tạo nên màng siêu mỏng chỉ vài lớp nguyên tử với chất lưọng cao. Lớp đế bên dưới có tác dụng như một mầm để lớp màng phát triển trong quá trình ngưng tụ. Các wafer có kích thước trung bình từ 25,4mm (1 inch) – 200mm (7.9 inch). Với sự phát triển của công nghệ vi mạch, các hãng sản xuất vi mạch nổi tiếng trên thế giới như Intel, TSMC hay Samsung đã nâng kích thước của wafer lên 300mm (12 inch), thậm chí lên 450mm (18 inch). Việc tăng kích thước wafer đã làm giá thành chế tạo vi mạch. Như vậy, trong quá trình sản xuất, nếu sản xuất được wafer càng lớn thì chi phí sản xuất sẽ giảm.
Công nghệ epitaxy chùm phân tử
• Màu của bức xạ LED phụ thuộc vào thành phần hóa học của vật liệu bán dẫn sử dụng, có thể từ tử ngoại gần, ánh sáng nhìn thấy đến hồng ngoại. 
• Hình bên cho thấy hiệu suất năng lượng (lm/W) của LED được chế tạo từ Ga, As, P, N theo bước sóng đỉnh (nm).


• LED blue siêu sáng hiện nay liên quan đến hệ thống vật liệu InGaN/GaN. Từ sau năm 1960 các nhà nghiên cứu có ý định cấy lớp GaN bằng công nghệ epitaxy pha hơi halogen (Halogen Vapor Phase Epitaxy HVPE) và thu được GaN đơn trên đế không đồng nhất (sapphire). Tuy nhiên đế GaN cấy từ 1960 một cách tự nhiên không kích tạp là một thách thức to lớn cho việc cố định đế GaN kiểu p vì thiếu các chuyển tiếp p-n trong nhóm III nitride (và chất lượng tăng trưởng kém) dẫn tới việc hệ thống InGaN/GaN đã nghiên cứu từ lâu nhưng vẫn còn 2 vấn đề lớn cần được giải quyết:
• Năm 1989 GS Isamu Akasaki đưa ra ý tưởng kích tạp Mg lên mẫu GaN để giải quyết kích tạp kiểu p bằng chùm điện tử để ủ và đã chứng minh vật liệu bán dẫn p-n thực.
• Năm 1995 GS Shuji Nakanura đưa ra LED blue công suất đầu tiên với hiệu suất vượt quá 5%.
• Trong giai đoạn tiếp theo chúng ta sẽ giới thiệu về công nghệ LED blue bao gồm:
• Các nguyên lý chế tạo chip bản lề: bao gồm nguyên lý MOCVD (Metalorganic Chemical Vapor Deposition)/ thiết bị và thiết kế lớp đệm.
• Công nghệ LED bản lề gồm quá trình epitaxy và các công nghệ tạo chip. Trên hình vẽ buồng phản ứng có áp suất được điều chỉnh. Việc phối hợp tốt khả năng sinh khối cũng như điều khiển sinh trưởng chính xác, hệ thống MOCVD (hình vẽ thống trị hầu hết lĩnh vực epitaxy hỗn hợp III-V. MOCVE áp dụng các hỗn hợp kim loại-hữu cơ như trimethyl gallium (TMGa) hoặc trimethyl aluminium (TMAl) như chất bảo quản cho vật liệu màng mỏng. Các chất bảo quản được chuyển qua dạng hơi tới vùng đốt nóng với buồng sinh trưởng. Những màng mỏng này được sinh ra khi chất bảo quản tác dụng hoặc hòa tan với hợp chất khác. Tính chất quang và tính chất điện của LED tạo nên liên quan trực tiếp đến thành phần của các vật liệu lắng đọng và kích tạp với lớp các vật liệu cơ sở. Về lý thuyết MOCVD là kỹ thuật sinh trưởng không cân bằng, liên quan đến sự chuyển vận hơi của chất bảo quản và hậu quả phản ứng của nhóm alkyl III và hydrite
• Trước khi hình thành cấu trúc LED, bình thường cần lắng đọng GaN (u-GaN) không kích tạp 2-6µm, để GaN kiểu n ở nhiệt độ khoảng 1.0000C
Sơ đồ nguyên lý của hệ thống MOCVD

• Mục đích của u-GaN chủ yếu là để giảm sự phân bố không đúng vị trí từ lớp đệm để có chất lượng cấu trúc LED tốt hơn. Trên đỉnh của u-GaN ta sẽ cấy lớp tích cực GaN kiểu n và GaN kiểu p liên tiếp:
• GaN kiểu n: Kích tạp silic là cách phổ biến nhất để tạo nên GaN kiểu n. Tuy nhiên đa số quá trình sẽ sinh trưởng lớp ứng suất trước lớp tích cực để bù ứng suất giữa GaN kiểu p và lớp tích cực. Nhiệt độ cấy của GaN kiểu n thường bằng hoặc cao hơn một chút so với nhiệt độ lớp u-GaN.
• Lớp tích cực: Việc lựa chọn lớp tích cực sử dụng cấu trúc chuyển tiếp kép không đồng nhất (Double Heterojunction DH). Vì cải thiện về hiệu suất, việc điều khiển bước sóng chính xác và chiều rộng ở nửa cực đại hẹp hơn (Full width at Half Maximum FWHM), cấu trúc giếng đa lượng tử (Multi-Quantum well MQW) LED là sự lựa chọn được chấp nhận trên toàn thế giới. Nhiệt độ hình thành của InGa/GaN MQW phải đủ thấp để đưa Indium vào màng mỏng phát xạ với bước sóng mong muốn.
• GaN kiểu p: Vấn đề tồn tại lâu dài là sự hư hỏng khi kích tạp vật liệu GaN kiểu p. Sau đó chỉ có kích tạp magnesium có khả năng tạo nên GaN kiểu p. Trước 1993 rất khó thu được GaN kiểu p. Gs. Akasaki đã tìm ra giải pháp; ông phát hiện chùm điện tử bức xạ trong kính hiển vi điện tử có thể tạo nên GaN kiểu p. Tuy nhiên Nakamura đã giải quyết hoàn toàn GaN kiểu p. Ông đã thấy các nhà nghiên cứu trước đã ủ các mẫu của mình ở ammonia (NH3). Ammonia phân giải trên 5000C, giải phóng nguyên tử hidro, nó làm mất tác dụng của chất bảo quản, vì thế ông đã ủ bằng nitơ sạch và do đó phát minh ra phương pháp đạt được vật liệu GaN kiểu p chất lượng cao. Do sai lệch mạng giữa InGaN lớp giếng và lớp chắn của MQW, trường phân cực trong vùng tác dụng là nguyên nhân phân bố không đều của các điện tử trong vùng tác dụng gây quá điện tử trong vùng kiểu p và kết quả làm hiệu suất giảm. Việc hình thành điện tử lớp khóa (EBL) giữa kiểu p và MQW là phương pháp cải thiện hiệu suất LED do hiệu quả của điện tử trong vùng MQW. Biểu đồ hình 3 là quá trình epitaxy LED điển hình.
Quá trình tạo chip LED
• Sau khi epitaxy GaN quá trình LED GaN tiếp theo tương đối thuận lợi bao gồm quá trình mặt trước (tạo mesa, TCL, tạo chân và thụ động hóa) và mặt sau (nối đất, chia cắt và binning) quá trình tạo chip

• Hình thành lớp dẫn trong suốt (Transparent conductive layer TCL): bình thường indiumtin-oxide (ITO) lắng đọng trên GaN kiểu p bởi E-gun hoặc bằng phún xạ. Vì độ linh động lỗ của GaN kiểu p ngày nay vẫn có vấn đề, kết quả là việc sử dụng TLC để cải thiện sự phân dòng và do đó cải thiện hiện tượng phát quang.
• Tạo chân: để tạo đường dẫn dòng điện, các kim loại lựa chọn được lắng đọng trên GaN kiểu p và kiểu n như chân p và chân n. Quy tắc lựa chọn kim loại là có tiếp xúc điện tốt, không bị oxi hóa và chịu uốn tốt với dây dẫn ngoài.
• Thụ động hóa: để tin cậy hơn, sự thụ động hóa như SiO2 hoặc SiNx được phủ để tránh LED bị ẩm. Quá trình được minh họa trên hình 5.
• Quá trình backend nhằm mục đích phân chia các chip LED thành từng chip riêng rẽ.
• Nối đất:  đế sapphire ban đầu khá dày, do đó đầu tiên phải nối đất phiến wafer.
• Chia cắt: đầu tiên wafer được làm mềm và dát mỏng sao cho chỗ nứt nhiệt được bảo quản cho quá trình cắt tiếp theo. Wafer được cắt (díced) để hình thành các dies LED. Mỗi mảnh cắt được gọi là dies LED.

Quá trình tạo chip trên đế sapphire

Quá trình tạo chip LED

Quá trình tạo chip LED

COB LED
• COB (Chip-On-Board) là giải pháp đóng gói chung nhiều chip LED trong một vỏ như hình 6. Thay cho việc gói riêng rẽ từng chip LED bây giờ một mảng gồm nhiều chip sẽ có một bao chung. Ưu điểm của COB LED là: 
• Đơn giản hóa việc nối dây vì chỉ cần 2 chân nối cho một mảng nhiều chip LED.
• Do đóng gói chung nhiều chip nên giảm được số linh kiện so với việc gói chip riêng rẽ do đó giảm phát nhiệt. Đế sứ/nhôm của COB LED có nhiệt dẫn cao hơn nên việc ghép nối cánh tản nhiệt ngoài do đó nhiệt độ làm việc chung của toàn khối sẽ thấp hơn và tốc độ hư hỏng sẽ thấp hơn. Sơ lượng điểm hàn cũng giảm đi.
• Tổn thất ánh sáng cũng giảm đi đáng kể và góc nhìn cũng rộng hơn so với gói riêng từng chip LED
• Nguồn sáng COB LED có thể tiết kiệm chi phí khoảng 30% trong các ứng dụng so với gói chip riêng rẽ , chủ yếu nằm trong chi phí LED gói, chi phí sản xuất nguồn sáng và các chi phí phân phối ánh sáng thứ cấp. Thông qua các thiết kế hợp lý COB môđun ánh sáng có thể tránh được những khuyết điểm của điểm sáng và độ chói của nguồn sáng rời rạc. Có thể thêm một số chip màu đỏ thích hợp, do đó để nâng cao hiệu quả  thể hiện màu.
• Nhược điểm của COB LED là sự linh hoạt về màu của COB LED giảm so với bao gói chip riêng rẽ.

• COB LED thường ứng dụng cho các bộ đèn LED công suất lớn, ví dụ đèn đường, đèn pha. Trên hình 7 là COB LED công suất lớn Excelsys Technologies LXC42-1050SW driver có dòng điện 1.05 A Citizen CLU721 Series COB LED.

Engines LED
• Bộ đèn LED hoàn chỉnh có tích hợp driver thay cho bộ đèn truyền thống. Thông thường Engines LED gồm nhiều chip LED dưới dạng mảng gồm nhiều chip LED đã phủ phôt pho đã tích hợp driver


 

Tác giả bài viết: OLED VN

Nguồn tin: Tiến sĩ Trần Đình Bắc

Tổng số điểm của bài viết là: 0 trong 0 đánh giá

Click để đánh giá bài viết

  Ý kiến bạn đọc

Đèn đường OLED
Thăm dò ý kiến

Lợi ích của phần mềm nguồn mở là gì?

Bạn đã không sử dụng Site, Bấm vào đây để duy trì trạng thái đăng nhập. Thời gian chờ: 60 giây