目前，照明工業(yè)有一些明顯的局限性。白熾燈泡效率很低，燈泡將多達(dá)90%能量轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，從燈絲上散發(fā)出來。雖然節(jié)能燈（又稱“緊湊型熒光燈”）的銷路似乎更好（因?yàn)闊艄艿膲勖?，也更有效率），但是它并不是長久之計(jì)，因?yàn)樗泄?，所以會給清理和銷毀帶來一定的問題。
一致的看法是，照明工業(yè)的發(fā)展方向是高亮度LED（HB-LED）。HB-LED的主要強(qiáng)項(xiàng)在于：具有高能效/低電耗；工作時間非常長（達(dá)100000小時）；可以改變發(fā)光方向，提高系統(tǒng)效率；穩(wěn)固、抗振動，冷型光源，觸摸安全；所發(fā)的光顏色飽和、鮮艷；操作時，即開即亮。
根據(jù)市場調(diào)查公司Strategies Unlimited所作的分析，從1995年至今， HB-LED的整體市場已經(jīng)增長了50%；而對于HB-LED在照明方面的應(yīng)用，在過去的三年中該市場已經(jīng)成長了60%。預(yù)計(jì)僅2008年就會有12%的增長率，到2012年，封裝的HB-LED市場有望達(dá)到114億。照明技術(shù)工業(yè)在這一領(lǐng)域呈現(xiàn)了快速發(fā)展，其潛在應(yīng)用是非常廣泛的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的家用和工業(yè)應(yīng)用，進(jìn)入了醫(yī)療儀器、汽車和建筑業(yè)的照明，顯示器的背光照明和許多其它的消費(fèi)品中。
由于其廣泛的應(yīng)用，HB-LED給制造工業(yè)帶來了諸多挑戰(zhàn)。它們的制造是通過復(fù)雜的晶體外延生長的方式得到的，比如金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）技術(shù)，該加工技術(shù)非常復(fù)雜，它有賴于化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)晶體生長，而不是物理沉積。因?yàn)橥ㄟ^二極管的粉末含量很高，HB-LED要求有一個散熱片，散熱片能夠使設(shè)備的溫度降下來，進(jìn)行有效的散熱，從而優(yōu)化設(shè)備的性能。有效的進(jìn)行散熱非常重要，它保證LED在長時間內(nèi)能正常的工作。散熱片是由導(dǎo)熱性很高的銅、鉬，或者它們的合金（如銅鎢合金）制成的，以維持設(shè)備的使用壽命，并且保證發(fā)光度具有更高的輸出。
不過，如何降低這些金屬的切割成本成為亟待解決的問題，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的切割技術(shù)可能帶來損壞或者污染，它們不僅會妨礙加工的過程，也影響LED的性能和效率。
切割方法
當(dāng)采用機(jī)械切割（鋸條）時，用作散熱片的金屬對金剛石鋸條上鋸齒產(chǎn)生磨損比傳統(tǒng)的晶片包裝更為嚴(yán)重，因?yàn)榻饎偸⒘Ｉ嫌袠渲?，樹脂會吸引軟金屬上的小顆粒，這些小顆粒跑到鋸條上的縫隙中，就使得鋸條變鈍。這樣，鋸條就必須進(jìn)行頻繁的更換，成本相當(dāng)昂貴。而且，金剛石鋸條帶來了嚴(yán)重的污染，因?yàn)槟切┬☆w粒如果沒有附著在鋸條上，就會返回材料表面。這將顯著降低發(fā)光度，從而也降低了HB-LED的效率。雖然鋸條可以進(jìn)行很快的加工，但是所存在的這些問題使得鋸條可能很快斷裂。如果對它們進(jìn)行優(yōu)化以便提高切割質(zhì)量的話，那么加工速度就非常慢，不能滿足生產(chǎn)需要。對整個生產(chǎn)過程的影響使得金剛石鋸條在這項(xiàng)應(yīng)用中的成本太高。
紅外（IR）或者綠色“干型”激光器產(chǎn)生許多的熱能，相應(yīng)的也給用于HB-LED散熱片的軟金屬帶來熱破壞。這些金屬變?yōu)榈入x子體狀態(tài)后很難輕易散開，它們殘留在切口，形成毛刺或者重鑄層，妨礙了模具的分離。提高射流強(qiáng)度并不能夠提高等離子體的去除效率，相反的，它使得重鑄層從切口上轉(zhuǎn)移到HB-LED陣列的有效區(qū)域，降低了輸出。這就損壞了設(shè)備的功能和效率，也使得設(shè)備制造商采用激光技術(shù)時的運(yùn)營成本增加。
與紅外和綠光激光器相比，紫外（UV）激光器運(yùn)作的效率更高，因?yàn)樵诓僮鲿r，它們產(chǎn)生的熱能更小。然而，對于所要加工的材料厚度（100-500 m）來說，它們的加工速度實(shí)在太慢。甚至當(dāng)功率較小的時候，它們?nèi)匀划a(chǎn)生一些熱損壞和污染。總而言之，由于熱影響區(qū)域（HAZ）的尺寸較大（長達(dá)60 m），使用傳統(tǒng)激光來切割HB-LED金屬時所得到的邊緣質(zhì)量已經(jīng)無法滿足市場需求。
第三種技術(shù)是采用微水刀激光器。這種激光器由Synova公司申請專利并投放市場，產(chǎn)品的英文名稱為Laser MicroJet，中文意即“激光微水刀”。一開始，該技術(shù)被用于醫(yī)療設(shè)備，目前它被用于半導(dǎo)體和電子器件的精密微加工。該技術(shù)采用了超細(xì)、低壓的水流將激光光束引導(dǎo)至材料表面。該加工技術(shù)的加工能力和性能與傳統(tǒng)的干式激光器大不相同。
首先，因?yàn)樗魇侵鶢畹?，而激光光束是平行的，所以切口的壁是平行的。工作距離取決于水流的穩(wěn)定距離，可以有幾個厘米長，因此，無需對聚焦過程進(jìn)行控制。激光在水流中保持聚焦。
其次，該技術(shù)不存在熱損壞的問題，因?yàn)樗鲗す饷}沖間的切口進(jìn)行冷卻。切口邊緣的溫度降到水溫，任何因激光加工而帶來的熱能都不會傳導(dǎo)到材料內(nèi)部。這就有效的避免了加熱所帶來的損壞，例如：微裂痕，氧化，結(jié)構(gòu)改變，或者模具斷裂應(yīng)力低等損壞。而且HAZ的面積降低了十倍。
第三，微水刀大大的減少了污染程度。水壓通常為50-500 巴，這使得微水刀能夠有足夠的能量將熔融的材料去除。與此同時，因?yàn)槲⑺斗浅１。ㄖ睆郊s為20-100 m），在晶片上的機(jī)械力可以忽略（小于0.1 N），所以整個加工過程沒有碎片或者微裂痕。
第四，微水刀具有很高的能量，它使得熔融金屬的切割過程更為容易及快速——厚達(dá)600 m的金屬可以在1-3秒內(nèi)被切割好，而且切割邊緣光滑整齊，不僅加工結(jié)果一致，而且質(zhì)量很高（見圖1）。微水刀可以將HB-LED切割成任意形狀：方形、圓形、六邊形等等形狀（見圖2）。這就使得材料的使用更有效率，減少浪費(fèi)。根據(jù)不同的需要，人們需要使用不同形狀的LED。而微水刀非常適合該項(xiàng)應(yīng)用。此外，由于微水刀能快速冷卻、洗凈殘余顆粒，這些顆粒就不再附著在晶片表面，所以污染的情況就幾乎沒有了。表1中給出了微水刀激光器對不同尺寸和厚度的銅基底HB-LED的切割與加工能力。
滿足最新要求
目前，有幾種不同的方式可以對HB-LED進(jìn)行加工/包裝。第一種方式是在金屬晶片上安裝有效元件，然后將晶片切割成單個的小晶片。對這些材料進(jìn)行有效切割是非常困難的，因?yàn)樗鼈儗t外激光或者綠色激光器來說太重了。這兩類激光器都是使用氣流將熔融的材料吹走，但是氣流產(chǎn)生的能量不足以應(yīng)付這項(xiàng)應(yīng)用。而且，在切割過程中，激光器產(chǎn)生的高能量會燒壞材料的邊緣，造成不能修補(bǔ)的損壞。
另一種方法是在藍(lán)寶石或者碳化硅晶片上安裝LED元件，然后用鋸條切割LED。由于冷卻過程不夠迅速，所以制造商將HB- LED制造成陣列的形式，在它們上面蓋上銅，然后對材料進(jìn)行拋光，從而得到一個純的銅晶片，晶片內(nèi)裝有HB-LED，只有發(fā)光表面暴露在銅材料外面。微水刀激光器非常適合將這些裝好的晶片切割開來，因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的包裝和大量的散熱片，如果使用其他方式加工，很容易就損壞了。
* 樣品4的結(jié)果如圖1所示。
目前在許多國家中，人們正開展國家級的發(fā)展計(jì)劃，以期擴(kuò)大LED作為照明手段的應(yīng)用范圍。這些國家包括美國以及亞洲地區(qū)中一些具有很大的技術(shù)發(fā)展?jié)摿Φ膰?，如日本、臺灣、韓國和中國。由于燈光照明占了總耗電量的20%，這些發(fā)展計(jì)劃旨在大規(guī)模節(jié)約能源，幫助消費(fèi)者降低耗電成本，通過減少廢氣的排放降低溫室效應(yīng)，來改善環(huán)境。然而，在HB-LED照明市場的最大推動力是它們能夠適應(yīng)一些新的應(yīng)用，在這些新應(yīng)用中，有可能傳統(tǒng)照明設(shè)備具有明顯的劣勢，也可能LED所具有的可靠性以及其他特殊的因素使得傳統(tǒng)設(shè)備無法與之抗衡。隨著HB-LED市場的迅速增長，微水刀激光器的市場也有望快速提高。
下載文檔
