Đèn led với sự xuất hiện phổ biến của nó cảm giác như chúng đều có mặt ở khắp mọi nơi trong cuộc sống hiện đại ngày nay. Tuy nhiên bạn đã bao giờ thử hỏi chúng được sản xuất như thế nào và có lịch sử ra sao chưa? Hôm nay hãy cũng LED Hoàng Gia tìm hiểu về lịch sử và quy trình sản xuất một đèn led như thế nào bạn nhé.
Lịch sử của đèn LED
Điốt phát sáng(Light Emitting Diode được viết tắt là LED) là một đèn màu nhỏ có sẵn trong bất kỳ cửa hàng điện tử nào có mặt ở khắp mọi nơi trong xã hội hiện đại. Chúng là đèn chỉ thị trên âm thanh nổi, bảng điều khiển ô tô và lò vi sóng. Hiển thị số trên radio, đồng hồ, đồng hồ kỹ thuật số, và nút nguồn máy tính. Đèn LED cũng được tìm thấy các ứng dụng trong viễn thông để truyền tín hiệu quang tầm ngắn như điều khiển từ xa của TV. Chúng thậm chí còn được thiết kế trong trang phục, mũ nón và giầy dép để trang trí, nội bật sản phẩm trong các buổi biểu diễn… Các nhà phát minh của đèn LED họ không hề biết là mình đang tạo ra một sản phẩm mang tính cách mạng. Họ chỉ đang cố gắn tạo ra laser nhưng trên đường nghiên cứu họ đã phát hiện ra một vật liệu có thể thay thế cho bóng đèn.
Bóng đèn sợi đốt chỉ là một sợi dây dẫn và một nguồn năng lượng đi qua. Chúng phát ra ánh sáng vì dây dẫn nóng lên và tỏa ra một phần năng lượng nhiệt của nó dưới dạng ánh sáng. Mặt khác, một đèn LED phát ra ánh sáng bằng cách kích thích điện tử chứ không phải là sinh nhiệt. Điốt là các van điện cho phép dòng điện chạy theo một hướng, nó giống như van của ống nước với dòng nước một chiều. Khi van “bật”, các electron chuyển từ vùng có mật độ điện tử cao sang vùng có mật độ điện tử thấp. Sự chuyển động này của các điện tử sẽ đồng thời phát xạ ánh sáng. Càng nhiều electron được truyền qua ranh giới giữa các lớp, được gọi là lớp tiếp giáp thì ánh sáng càng sáng. Hiện tượng này, được gọi là điện phát quang, đã được quan sát sớm nhất là vào năm 1907. Tuy nhiên, trước khi đèn LED hoạt động tốt được sản xuất cần nghiên cứu phát triển để tạo ra các vật liệu sạch hơn và hiệu quả hơn.
Đèn LED được phát triển trong thời kỳ hậu Thế Chiến Thứ II. Trong chiến tranh, người ta rất quan tâm đến các vật liệu cho máy dò ánh sáng và sóng siêu vi. Một loạt các vật liệu bán dẫn đã được phát hiện trong nỗ lực nghiên cứu này và tính chất tương tác ánh sáng của chúng đã được nghiên cứu bài bản. Trong những năm 1950, rõ ràng là các vật liệu tương tự được sử dụng để tạo ra ánh sáng. Các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm AT & T Bell là những người đầu tiên khai thác các tính chất tạo ra ánh sáng của các vật liệu mới này trong những năm 1960. Đèn LED là tiền thân và là sản phẩm phụ tình cờ của nỗ lực phát triển laser. Các đèn màu nhỏ tạo ra một số lợi ích cho ngành công nghiệp, bởi vì chúng có lợi thế hơn các bóng đèn có kích thước tương tự:
Các đèn LED đầu tiên không đáng tin cậy hoặc hữu ích như những đèn được bán ngày nay. Thông thường, chúng chỉ có thể hoạt động ở nhiệt độ của nitơ lỏng (-104 độ F hoặc – 77 độ C) hoặc thấp hơn, và sẽ cháy chỉ sau vài giờ. Họ không đánh giá cao vì chúng rất kém hiệu quả, và chúng tạo ra rất ít ánh sáng. Tất cả những vấn đề này có thể được quy cho việc thiếu các kỹ thuật đáng tin cậy để sản xuất các vật liệu phù hợp trong những năm 1950 và 1960, và kết quả là các thiết bị được chế tạo từ chúng rất kém. Khi vật liệu được cải tiến, các tiến bộ khác trong công nghệ theo sau: phương pháp kết nối các thiết bị điện tử, mở rộng điốt, làm cho chúng sáng hơn và tạo ra nhiều màu sắc hơn.
1 quá trình sản xuất chất bán dẫn của đèn led
Để làm ra các tấm bán dẫn, gali, asen và hoặc phốt pho được trộn với nhau trong một buồng và cho vào dung dịch. Để giữ cho chúng không thoát ra khỏi khí điều áp trong buồng, chúng thường được phủ một lớp oxit boron lỏng. Tiếp theo, một thanh được nhúng vào dung dịch và rút ra từ từ. Dung dịch nguội đi và kết tinh ở đầu que khi nó được nhấc ra khỏi buồng, tạo thành một thỏi tinh thể hình trụ dài. Và được cắt thành miếng mỏng
Đèn LED được chấp nhận rộng rãi trên thị trường vào những năm 1970 là kết quả của việc giảm chi phí sản xuất và tiếp thị thông minh, khiến các sản phẩm có màn hình LED (như đồng hồ) là sản phẩm “công nghệ cao” được mong đợi. Các nhà sản xuất đã có thể sản xuất nhiều đèn LED liên tiếp để tạo ra nhiều loại màn hình để sử dụng trên đồng hồ, dụng cụ khoa học và đầu đọc thẻ máy tính.
Công nghệ LED đã có những bước phát triển mạnh mẽ trong việc sản xuất ra các loại bóng đèn led tiết kiệm điện, tuổi thọ cao, hiệu suất ánh sáng tốt hơn. Hơn nữa ngày nay chúng vẫn còn được phát triển để tạo ra các loại bóng đèn led chiếu sáng thông minh hơn.
Nguyên liệu để sản xuất đèn led
Điốt nói chung đều được làm bằng các lớp vật liệu bán dẫn rất mỏng; một lớp sẽ có sự dư thừa điện tử, trong khi lớp tiếp theo sẽ thiếu hụt điện tử. Sự khác biệt này làm cho các electron di chuyển từ lớp này sang lớp khác, do đó tạo ra ánh sáng. Các nhà sản xuất hiện có thể làm cho các lớp này mỏng đến 0,5 micron trở xuống (1 micron = 1 phần mười nghìn của một inch).
Các tạp chất trong chất bán dẫn được sử dụng để tạo ra mật độ electron cần thiết. Chất bán dẫn là một vật liệu tinh thể chỉ dẫn điện khi có mật độ tạp chất cao trong đó. Các lát cắt, hoặc wafer, của chất bán dẫn là một tinh thể đồng nhất duy nhất và các tạp chất được bổ sung sau trong quá trình sản xuất. Để dễ hiểu hãy xem wafer như một chiếc bánh được trộn và nướng theo cách quy định, và các tạp chất như là các loại hạt lơ lửng trong bánh. Các chất bán dẫn đặc biệt được sử dụng cho sản xuất LED là gallium arsenide (GaAs), gallium phosphide (GaP) hoặc gallium arsenide phosphide (GaAsP). Các vật liệu bán dẫn khác nhau (được gọi là chất nền) và các tạp chất khác nhau dẫn đến màu sắc ánh sáng khác nhau từ đèn LED.
Các tạp chất, các loại hạt trong bánh, được bổ sung sau trong quá trình sản xuất; Tạp chất không có nghĩa là chúng không cần thiết mà chúng được bổ sung có chủ ý để làm cho chức năng LED chính xác. Quá trình này được gọi là doping. Các tạp chất thường được thêm vào là kẽm hoặc nitơ, nhưng silicon, gecmani và Tellurium cũng đã được sử dụng. Như đã đề cập ở trên, những tạo chất sẽ giúp chất bán dẫn dẫn điện và sẽ làm cho chức năng LED trở thành một thiết bị điện tử. Thông qua các tạp chất, một lớp bán dẫn có thể thừa hoặc thiếu hụt điện tử được tạo ra.
Để hoàn thành chỉnh thiết bị, cần phải có dây dẫn để cho dòng điện đi qua. Vì vậy, dây dẫn điện phải được gắn vào đế. Các dây dẫn này phải bám tốt vào chất bán dẫn và đủ tốt để chịu được các điều kiện khác khi thiết bị hoạt động.
Qúa trình tạo ra các lớp vật liệu của đèn led
Một cách để thêm các tạp chất cần thiết vào tinh thể bán dẫn là phát triển thêm các lớp tinh thể lên bề mặt wafer. Trong quá trình này, được gọi là ” Liquid Phase Epitaxy ” 1 thuật ngữ chuyên ngành, wafer được đặt trên một phiến than chì và được đưa vào bên dưới các hồ chứa GaAsP nóng chảy.
Các mẫu tiếp xúc được phơi ra trên bề mặt của wafer bằng cách sử dụng photoresist, sau đó các tấm wafer được đưa vào buồng chân không được làm nóng. Ở đây, kim loại nóng chảy được bốc hơi lên mô hình tiếp xúc trên bề mặt wafer gia công như hàn và sưởi ấm. Các hợp chất vàng và bạc được sử dụng phổ biến nhất cho mục đích này, bởi vì chúng tạo thành một liên kết hóa học với gallium ở bề mặt của wafer.
Đèn LED thường được bọc trong nhựa trong suốt. Nhựa có thể là một trong bất kỳ loại nào và có tính chất quang học chính xác, điều này sẽ xác định đầu ra ánh sáng của đèn LED trông như thế nào. Một số chất dẻo có tính khuếch tán, có nghĩa là ánh sáng sẽ tán xạ theo nhiều hướng. Một số trong suốt, và có thể được định hình thành các thấu kính sẽ hướng ánh sáng thẳng ra khỏi đèn LED trong một chùm hẹp. Các chất dẻo có thể được pha màu, sẽ thay đổi màu sắc của đèn LED bằng cách cho phép ít nhiều ánh sáng của một màu cụ thể đi qua.
Thiết kế đèn led
Một số tính năng của đèn LED cần được xem xét trong thiết kế của nó, vì nó vừa là thiết bị điện tử vừa là thiết bị quang học. Các đặc tính quang học mong muốn như màu sắc, độ sáng và hiệu quả phải được tối ưu hóa mà không có thiết kế điện hoặc vật lý không hợp lý. Các tính chất này bị ảnh hưởng bởi kích thước của diode, vật liệu bán dẫn chính xác được sử dụng để chế tạo nó, độ dày của các lớp diode và lượng tạp chất được sử dụng.
Quy trình sản xuất đèn led chi tiết
1. Làm tấm bán dẫn cho đèn led
Trước tiên, một wafer bán dẫnđược thực hiện. Thành phần vật liệu cụ thể là Ga GaAs, GaP, hoặc thứ gì đó ở giữa được xác định bởi màu sắc của đèn LED được chế tạo. Chất bán dẫn tinh thể được phát triển trong buồng áp suất cao, nhiệt độ cao. Gali, asen hoặc phốt pho được tinh chế và trộn lẫn với nhau trong buồng. Nhiệt và áp suất hóa lỏng và ép các thành phần lại với nhau để chúng bị ép vào dung dịch. Để giữ cho chúng không thoát ra khỏi khí điều áp trong buồng, chúng thường được phủ một lớp oxit boron lỏng, làm kín chúng để chúng phải “dính lại với nhau”. Điều này được gọi là đóng gói chất lỏng, hoặc phương pháp tăng trưởng tinh thể Czochralski. Sau khi các yếu tố được trộn trong một dung dịch đồng nhất, một thanh được nhúng vào dung dịch và kéo ra từ từ. Dung dịch nguội đi và kết tinh ở đầu que khi nó được nhấc ra khỏi buồng, tạo thành một thỏi tinh thể hình trụ dài của GaAs, GaP hoặc GaAsP. Để đơn giản hãy xem quá trình này giống như bạn nướng 1 chiếc bánh.
Các tinh thể hình trụ sau đó được cắt thành các tấm bán dẫn rất mỏng, dày như 1lớp của túi nilon. Các tấm wafer được đánh bóng cho đến khi các bề mặt rất mịn, do đó chúng sẽ dễ dàng chấp nhận nhiều lớp bán dẫn hơn trên bề mặt của chúng. Mỗi wafer phải là một tinh thể duy nhất của thành phần đồng nhất. Thật không may, đôi khi sẽ có sự không hoàn hảo trong các tinh thể làm cho chức năng LED bị kém. Sự không hoàn hảo giống như những mảnh vụn hoặc đường không được trộn đều và lơ lửng trong 1 cái bánh trong quá trình nướng. Sự không hoàn hảo cũng có thể là kết quả của quá trình đánh bóng; sự không hoàn hảo như vậy cũng làm giảm hiệu suất thiết bị. Càng nhiều khiếm khuyết như vậy, sẽ có càng ít wafer giống như một tinh thể duy nhất, vật liệu sẽ không hoạt động như một chất bán dẫn.
Tiếp theo, các tấm wafer được làm sạch thông qua một quy trình hóa học và xem xét nghiêm ngặt bằng nhiều dung môi khác nhau. Quá trình này loại bỏ bụi bẩn, hoặc chất hữu cơ có thể đã lắng xuống trên bề mặt wafer được đánh bóng. Xử lý càng sạch, đèn LED sẽ càng tốt.
2. Thêm các lớp vật liệu mỏng
Các lớp tinh thể bán dẫn bổ sung được phát triển trên bề mặt của wafer, giống như thêm nhiều lớp vào bánh. Đây là một cách để thêm tạp chất, hoặc chất bẩn, vào tinh thể. Các lớp tinh thể được phát triển lần này bằng một quá trình gọi là Liquid Phase Epit Wax (LPE). Trong kỹ thuật này, các lớp vật liệu cần thiết. Các lớp bán dẫn có cấu trúc tinh thể giống như chất nền bên dưới, được đặt trên một tấm wafer trong khi nó được nhúng dưới các hồ chứa GaAsP nóng chảy. Các hồ chứa có tạp chất thích hợp trộn qua chúng. Tấm wafer nằm trên một phiến than chì, được đẩy qua một kênh dưới một thùng chứa chất lỏng nóng chảy. Các chất khác nhau có thể được thêm vào trong các thùng tan chảy liên tiếp, tạo ra các lớp vật liệu với mật độ điện tử khác nhau. Các lớp lắng đọng sẽ trở thành sự tiếp nối của cấu trúc tinh thể của wafer.LPE tạo ra một lớp vật liệu đặc biệt đồng nhất. Các lớp hình thành dày vài micron.
Sau khi lắng đọng các lớp vật liệu cần thiết, có thể cần phải thêm các chất dẫn bổ sung để thay đổi các đặc tính của diode cho màu sắc hoặc hiệu quả. Nếu pha tạp bổ sung được thực hiện, wafer một lần nữa được đặt trong ống lò nhiệt độ cao, nơi nó được ngâm trong bầu khí quyển có chứa các chất dẫn xuất nitơ hoặc kẽm amoni là phổ biến nhất. Nitơ thường được thêm vào lớp trên cùng của diode để làm cho ánh sáng có màu vàng hoặc xanh hơn.
3. Thêm một số kim loại
Tiếp điểm kim loại sau đó được xác định trên wafer. Mẫu tiếp xúc được xác định trong giai đoạn thiết kế và phụ thuộc vào việc điốt được sử dụng đơn lẻ hay kết hợp. Các mẫu tiếp xúc được sao chép trong photoresist, một hợp chất nhạy cảm với ánh sáng; điện trở chất lỏng được lắng đọng trong khi wafer quay tròn và phân phối nó trên bề mặt. Điện trở được làm cứng bằng cách nung ở nhiệt độ thấp, ngắn (khoảng 215 độ F hoặc 100 độ C). Tiếp theo, mẫu chính được nhân đôi trên bộ phận quang học bằng cách đặt nó lên trên wafer và phơi bày điện trở bằng tia cực tím ánh sáng (giống như cách một bức ảnh được tạo ra từ âm bản). Các khu vực tiếp xúc của điện trở bị cuốn trôi và các khu vực không phơi sáng vẫn còn, bao phủ các lớp bán dẫn.
Kim loại tiếp xúc bây giờ được bốc hơi lên mẫu, bổ sung vào các khu vực tiếp xúc. Sự bay hơi diễn ra trong một buồng nhiệt độ cao khác, lần này được hút chân không. Một khối kim loại được nung nóng đến nhiệt độ khiến nó bốc hơi. Nó ngưng tụ và dính vào wafer bán dẫn tiếp xúc, giống như hơi nước sẽ làm mờ một cửa sổ lạnh. Chất quang dẫn sau đó có thể được rửa sạch bằng acetone, chỉ để lại các tiếp xúc kim loại phía sau. Tùy thuộc vào sơ đồ lắp đặt cuối cùng cho đèn LED, một lớp kim loại bổ sung có thể bị bay hơi ở mặt sau của tấm wafer. Bất kỳ kim loại ký gửi phải trải qua một quá trình ủ, trong đó wafer được làm nóng đến vài trăm độ và được phép ở lại trong lò (với bầu không khí trơ của hydro hoặc nitơ chảy qua nó) trong thời gian lên đến vài giờ. Trong thời gian này, kim loại và chất bán dẫn liên kết với nhau về mặt hóa học để các tiếp điểm không bị bong ra.
Một tấm wafer có đường kính 2 inch được sản xuất theo cách này sẽ có cùng một kiểu được lặp lại tới 6000 lần trên nó; điều này đưa ra một dấu hiệu về kích thước của điốt đã hoàn thành. Các điốt được cắt rời bằng cách tách (chụp wafer dọc theo mặt phẳng pha lê) hoặc bằng cưa với cưa kim cương. Mỗi đoạn nhỏ được cắt từ wafer được gọi là die. Một quá trình khó khăn và dễ bị lỗi, cắt giảm kết quả trong ít hơn 6000 đèn LED có thể sử dụng được và là một trong những thách thức lớn nhất trong việc hạn chế chi phí sản xuất của các thiết bị bán dẫn.
4. Gắn và đóng gói
Tùy vào mục đích sử dụng để gắn và đóng gói thích hợp. Ví dụ, nếu diode sẽ được sử dụng làm đèn chỉ thị, thì nó được gắn trên hai dây dẫn kim loại dài khoảng 2 inch. Thông thường, trong trường hợp này, mặt sau của wafer được phủ bằng kim loại và tạo thành một tiếp xúc điện với chì mà nó nằm trên. Một sợi dây vàng nhỏ được hàn với dây dẫn khác và liên kết dây với các tiếp điểm có hoa văn trên bề mặt của khuôn. Trong liên kết dây, đầu dây được ấn xuống kim loại tiếp xúc bằng kim rất mảnh. Vàng đủ mềm để biến dạng và dính vào bề mặt kim loại.
Cuối cùng, toàn bộ lắp ráp được niêm phong bằng nhựa. Các dây được gắn chết và được treo trong một khuôn có hình theo yêu cầu quang học của gói hàng (có ống kính hoặc đầu nối ở cuối) và khuôn được đổ đầy nhựa hoặc epoxy lỏng. Epoxy đông cứng và 1 đèn led được tạo ra như hình.
Sơ đồ một đèn led hoàn chỉnh
Một đèn chỉ báo LED điển hình cho thấy đèn LED thực tế nhỏ như thế nào. Mặc dù tuổi thọ trung bình của một bóng đèn nhỏ là 5-10 năm, một đèn LED hiện đại phải tồn tại 100 năm hoặc hơn trước khi nó bị hỏng.
Kiểm soát chất lượng
Chất lượng trong sản xuất chất bán dẫn có hai dạng. Mối quan tâm đầu tiên là với sản phẩm được sản xuất cuối cùng, và thứ hai là với cơ sở sản xuất. Mỗi đèn LED được kiểm tra khi nó được liên kết dây cho các đặc tính hoạt động. Mức độ cụ thể của hiện tại nên tạo ra độ sáng cụ thể. Màu sắc ánh sáng chính xác được kiểm tra cho từng lô hàng, và một số đèn LED sẽ được kéo để kiểm tra ứng suất, bao gồm kiểm tra trọn đời, phân tích nhiệt và điện và hư hỏng cơ học.
Để sản xuất sản phẩm một cách nhất quán, dây chuyền sản xuất phải hoạt động đáng tin cậy và an toàn. Nhiều bước xử lý ở trên có thể được tự động hóa, nhưng không phải tất cả đều được. Độ sạch chung của cơ sở và tấm wafer trống được theo dõi chặt chẽ. Các cơ sở đặc biệt (“phòng sạch”) được xây dựng để giữ cho không khí trong sạch đến 1/ 10.000 cho các bước xử lý cụ thể (đặc biệt là bước 1 và 2 trong quy trình sản xuất). Tất cả các kiểm tra này phát sinh từ mong muốn cải thiện năng suất, hoặc số lượng đèn LED thành công trên mỗi wafer.
Tương lai của đèn led
Quang điện tử đang nở rộ với sự ra đời của các kỹ thuật xử lý tốt hơn và tốt hơn. Tuổi thọ trung bình của một bóng đèn nhỏ là 5-10 năm, nhưng đèn LED hiện đại trung bình phải tồn tại 100 năm trước khi thay thế. Điều này làm cho chúng phù hợp cho các ứng dụng khó thay thế hoặc không thể thay thế các bộ phận, chẳng hạn như điện tử dưới biển hoặc ngoài không gian.Một ứng dụng của đèn led
Các vật liệu khác đang được phát triển sẽ cho phép chế tạo đèn LED ánh sáng xanh và trắng. Ngoài việc tạo ra nhiều chỉ số và lựa chọn với nhiều màu sắc hơn, ánh sáng xanh được ưu tiên hơn cho một số ứng dụng như lưu trữ quang học và hiển thị hình ảnh. Ánh sáng xanh và trắng dễ nhìn hơn. Màu sắc bổ sung chắc chắn sẽ mở ra các ứng dụng mới.
Cuối cùng, khi công nghệ xử lý tiến bộ và có thể kết hợp nhiều thiết bị hơn trên một con chip, màn hình LED sẽ trở nên “thông minh” hơn. Một vi mạch sẽ giữ tất cả các thiết bị điện tử để tạo ra màn hình chữ và số, và sẽ làm cho thiết bị nhỏ hơn và tinh vi hơn.
Đèn led chiếu sáng cũng được nâng cấp hơn với hiệu suất chiếu sáng cao, độ bền tốt hơn, tuổi thọ cao hơn và đã dần xuất hiện nhiều loại đèn led chiếu sáng thông minh kết nối được với các thiết bị công nghệ cao như điện thoại máy tính để điều khiển. Dịch nguồn nước ngoài.
