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毕业设计LED灯生产过程质量控制的技术研究
LED灯生产过程质量控制的技术研究
摘要
能源危机、温室效应以及生态环境的日益恶化时刻提醒着人们，地球已经疲惫不堪，改变人们的能源获取方式以及提高能源利用率已经成为当前世人的共识。
由于在世界电力的使用结构中，照明用电约占总用电量的19％；英国布赖恩?
爱德华兹在其编写的《可持续性建筑》中指出，在英国消耗的全部能源当中，大约有一半与建筑有关，而建筑的人工照明耗能则占其建筑耗能总量的15％～50％；在我国照明用电约占全国总用电量的12％，而且我国每年的照明用电增速（保守估计）大约为5％。
各类照明耗能已经成为了各国能源消费的重要组成部分。
照明节能问题也就成了各国政府及专业人员必须面对的棘手问题。
新型高效光源，特别是白色光源（适用于一般照明）的发展对于大幅度降低照明用电量具有很重要的作用，因为它可以降低电能消耗增长速度，进而减少新增电网容量的费用，降低能源消耗以及减少向大气中排放的温室气体及其他污染物。
LED，特别是白色光LED，因其与传统光源相比所具有的理论以及现实的优越性，受到广大专业人士的青睐。
它的出现也为照明界开拓出了一个全新的技术领域，并为照明节能设计提供了更多的选择。
LED半导体发光二极管新型光源逐步取代白炽灯己经成为国际照明领域的潮流。
由于LED的诸多优点能满足照明灯对节能、安全环保与多功能等多方面的要求，灯具的LED化己成为国际上发展方向和主流。
我国是世界上最大的潜在汽车市场，今后对比LED照明灯具的需求将越来越大，开发和完善既能满足大批量的生产又能满足高质量要求的LED灯具的制造技术已经成为当务之急.
本文介绍了基于统计过程控制理论，在对照明灯具进行大批量生产过程中实施其质量控制的一种方法。
它以满足LED灯具的光学设计、结构设计、灯具散热等关键技术理论及灯具的实验要求为依据，采用合理的统计。
方法，对生产线中定时取样的实验数据进行快速处理，起到预警的作用。
本文所研究的现场质量控制模式不但可以满足LEO灯具生产厂家的质量控制要求，而且可以作为产品过程受控的证据，稍加改进后按照一定的格式向主机厂输出。
本方法还可以广泛应用于其他灯具生产现场的质量控制。
关键词:
LED:
照明灯具;生产过程;质量控制
目录
摘要1
第一章绪论3
1.1LED灯简介3
1.2LED灯应用领域4
1.3LED灯的优缺点5
1.4LED灯前景6
第二章统计质量控制的理论综述7
2.1统计质量控制的概念与特点7
2.2统计质量控制技术的应用意义7
2.3统计质量控制中常用的两种工具8
2.3.1过程能力8
2.3.2控制图9
第三章LED灯的通用生产工艺过程及质量控制12
3.1LED灯的通用生产工艺过程12
3.1.1LED制作流程概述12
3.1.2LED芯片生产工艺13
3.1.3LED封装工艺流程14
3.2LED灯生产过程质量控制15
第四章LED灯在生产过程中存在问题及改进手段21
第五章LED灯质量过程控制的实施效果24
结束语25
参考文献26
第一章绪论
1.1LED灯简介
LED（LightEmittingDiode），发光二极管，是一种固态的半导体器件，它可以直接把电转化为光。
LED的心脏是一个半导体的晶片，晶片的一端附在一个
发光二极管
支架上，一端是负极，另一端连接电源的正极，使整个晶片被环氧树脂封装起来。
半导体晶片由两部分组成，一部分是P型半导体，在它里面空穴占主导地位，另一端是N型半导体，在这边主要是电子。
但这两种半导体连接起来的时候，它们之间就形成一个P-N结。
当电流通过导线作用于这个晶片的时候，电子就会被推向P区，在P区里电子跟空穴复合，然后就会以光子的形式发出能量，这就是LED发光的原理。
而光的波长也就是光的颜色，是由形成P-N结的材料决定的。
最初LED用作仪器仪表的指示光源，后来各种光色的LED在交通信号灯和大面积显示屏中得到了广泛应用，产生了很好的经济效益和社会效益。
以12英寸的红色交通信号灯为例，在美国本来是采用长寿命，低光效的140瓦白炽灯作为光源，它产生2000流明的白光。
经红色滤光片后，光损失90%，只剩下200流明的红光。
而在新设计的灯中，Lumileds公司采用了18个红色LED光源，包括电路损失在内，共耗电14瓦，即可产生同样的光效。
汽车信号灯也是LED光源应用的重要领域。
对于一般照明而言，人们更需要白色的光源。
1998年发白光的LED开发成功。
这种LED是将GaN芯片和钇铝石榴石（YAG）封装在一起做成。
GaN芯片发蓝光（λp=465nm，Wd=30nm），高温烧结制成的含Ce3+的YAG荧光粉受此蓝光激发后发出黄色光射，峰值550nm。
蓝光LED基片安装在碗形反射腔中，覆盖以混有YAG的树脂薄层，约200-500nm。
LED基片发出的蓝光部分被荧光粉吸收，另一部分蓝光与荧光粉发出的黄光混合，可以得到得白光。
现在，对于InGaN/YAG白色LED，通过改变YAG荧光粉的化学组成和调节荧光粉层的厚度，可以获得色温3500-10000K的各色白光。
这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。
上个世纪６０年代，科技工作者利用半导体ＰＮ结发光的原理，研制成了ＬＥＤ发光二极管。
当时研制的ＬＥＤ，所用的材料是ＧａＡＳＰ，其发光颜色为红色。
经过近30年的发展，现在大家十分熟悉的ＬＥＤ，已能发出红、橙、黄、绿、蓝等多种色光。
1.2LED灯应用领域
（1）显示屏、交通讯号显示光源的应用LED灯具有抗震耐冲击、光响应速度快、省电和寿命长等特点，广泛应用于各种室内、户外显示屏，分为全色、三色和单色显示屏，全国共有100多个单位在开发生产。
交通信号灯主要用超高亮度红、绿、黄色LED,因为采用LED信号灯既节能，可靠性又高，所以在全国范围内，交通信号灯正在逐步更新换代，而且推广速度快，市场需求量很大，是个很好的市场机会。
（2）汽车工业上的应用汽车用灯包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯以及头灯等。
汽车用白炽灯不耐震动撞击、易损坏、寿命短，需要经常更换。
1987年，我国开始在汽车上安装高位刹车灯。
由于LED响应速度快,可以及早提醒司机刹车，减少汽车追尾事故，在发达国家，使用LED制造的中央后置高位刹车灯已成为汽车的标准件，美国HP公司在1996年
推出的LED汽车尾灯模组可以随意组合成各种汽车尾灯。
此外，在汽车仪表板及其他各种照明部分的光源，都可用超高亮度发光灯来担当，所以均在逐步采用LED显示。
我国汽车工业正处于大发展时期，是推广超高亮度LED的极好时机。
近几年内会形成年产10亿元的产值，5年内会形成每年30亿元的产值。
（3）LED背光源以高效侧发光的背光源最为引人注目，LED作为LCD背光源应用，具有寿命长、发光效率高、无干扰和性价比高等特点，已广泛应用于电子手表、手机、BP机、电子计算器和刷卡机上，随着便携电子产品日趋小型化，LED背光源更具优势，因此背光源制作技术将向更薄型、低功耗和均匀一致方面发展。
LED是手机关键器件，一部普通手机或小灵通约需使用10只LED器件，而一部彩屏和带有照相功能的手机则需要使用约20只LED器件。
现阶段手机背光源用量非常大，一年要用35亿只LED芯片。
目前我国手机生产量很大，而且大部分LED背光源还是进口的，对于国产LED产品来说，这是个极好的市场机会。
（4）LED照明光源早期的产品发光效率低，光强一般只能达到几个到几十个mcd，适用在室内场合，在家电、仪器仪表、通讯设备、微机及玩具等方面应用。
目前直接目标是LED光源替代白炽灯和荧光灯，这种替代趋势已从局部应用领域开始发展。
日本为节约能源，正在计划替代白炽灯的发光二极管项目（称为"照亮日本"），头五年的预算为50亿日元，如果LED替代半数的白炽灯和荧光灯，每年可节约相当于60亿升原油的能源,相当于五个1.35×106kW核电站的发电量，并可减少二氧化碳和其它温室气体的产生，改善人们生活居住的环境。
我国也于2004年投资50亿大力发展节能环保的半导体照明计划。
（5）其它应用例如一种受到儿童欢迎的闪光鞋，走路时内置的LED会闪烁发光，仅温州地区一年要用5亿只发光二极管；利用发光二极管作为电动牙刷的电量指示灯，据国内正在投产的制造商介绍,该公司已有少量保健牙刷上市，预计批量生产时每年需要3亿只发光灯；正在流行的LED圣诞灯，由于造型新颖、色彩丰富、不易碎破以及低压使用的安全性，近期在香港等东南亚地区销势强劲，受到人们普遍的欢迎，正在威胁和替代现有电泡的圣诞市场。
（6）家用室内照明的LED产品越来受人欢迎，LED筒灯，LED天花灯，LED日光灯，LED光纤灯已悄悄地进入家庭！
1.3LED灯的优缺点
1.3.1LED灯优点：
1、LED灯高效节能：
一千小时仅耗几度电（普通60W白炽灯十七小时耗1度电，普通10W节能灯一百小时耗1度电）。
2、LED灯超长寿命：
半导体芯片发光，无灯丝，无玻璃泡，不怕震动，不易破碎，使用寿命可达五万小时（普通白炽灯使用寿命仅有一千小时，普通节能灯使用寿命也只有八千小时）。
3、LED灯健康：
光线健康光线中不含紫外线和红外线，不产生辐射（普通灯光线中含有紫外线和红外线）。
4、LED灯绿色环保：
不含汞和氙等有害元素，利于回收和，而且不会产生电磁干扰（普通灯管中含有汞和铅等元素，节能灯中的电子镇流器会产生电磁干扰）。
5、LED灯保护视力：
直流驱动，无频闪（普通灯都是交流驱动，就必然产生频闪）。
6、LED灯光效率高：
发热小，90%的电能转化为可见光（普通白炽灯80%的电能转化为热能，仅有20%电能转化为光能）。
7、LED灯安全系数高：
所需电压、电流较小，发热较小，不产生安全隐患，于矿场等危险场所。
8、LED灯市场潜力大：
低压、直流供电，电池、太阳能供电，于边远山区及野外照明等缺电、少电场所。
1.3.2LED灯缺点：
1、LED灯在交流电驱动下和普通白炽灯一样会有频闪现象，而普通节能灯没有频闪现象。
频闪会使眼睛容易疲劳。
2、每个LED灯泡的光线过亮，会强烈刺激眼睛，不可直视，哪怕短时间，而普通节能灯相对要柔和些！
3、照射角度有限制，一般只能照射120°，而普通节能灯几乎可照射360°。
4、照射房间的亮度并不比节能灯出色，因为LED只在直视的狭小角度内有高亮度，而偏离该角度后光线迅速减弱。
1.4LED灯前景
一、LED灯的优势
（1）不需要充气，不需要玻璃外壳，抗冲击性好，抗震性好，不易破碎，便于运输。
（2）灯源单元较小，使得布灯更为灵活，而且能够更好地实现夜景照明中“只见灯光不见光源”的效果。
（3）能够较好地控制发光光谱组成，从而能够很好地用于博物馆以及展览馆中的局部或重点照明。
（4）理论上具有与传统光源相比更高的发光效率，理论上LED的发光效率大于200lm/W，从而具有相当巨大的节能潜力。
（5）寿命更长，实验室寿命可达100,000h，且光源可以频繁地亮灭，而不会影响其寿命，并且启动速度非常快。
（6）可以通过控制半导体发光层半导体材料的禁止带幅的大小，从而发出各种颜色的光线，且彩度更高。
（7）光源中不添加汞，有利于保护环境。
（8）LED发光具有很强的方向性，从而可以更好地控制光线，提高系统的照明效率。
比如，Chipschipalkatti在美国光电产业发展协会（OIDA）举办的半导体照明研讨会上发表的《LEDSystemsforLighting：
WheretheRubberHitstheRoad》指出：
尽管15Ｗ荧光灯的发光效能大约为60lｍ/Ｗ，但是经过灯具的折减就变为了35lm/Ｗ，如果再考虑照射到目标区域以外的光线，则只有30lm/Ｗ。
而半导体光源在这些环节上的折减则会少很多。
（9）使用低压直流电，具有负载小、干扰弱的优点。
与传统光源相比，LED特别是白光LED在一般照明领域中的优势和节能潜力，使它日益受到政府部门及相关专业人员的关注，也成为了当前半导体研究领域以及照明产业中的热点。
第二章统计质量控制的理论综述
统计质量控制技术最早形成于20世纪20年代。
从休哈特（Shwhart）博士将统计控制图引入生产过程的监控开始，已经有80多年的发展历史。
在此期间，统计质量控制技术经历了不被人们理解和接受到被广泛地应用于生产实践的过程。
这项技术自身也在应用中得到不断发展和完善。
2.1统计质量控制的概念与特点
统计质量控制是根据产品（含零件、组件、部件、原材料等）的抽样数据和
统计分析结果对其质量进行推断，其理论基础是数理统计和概率论。
抽样又称采
样，是从产品中随机地抽出样件，对每一样件进行规定的质量特征项目的技术指
标的检测或检验。
在加工过程抽样中，质量特征指标是在制造过程中或制造过程
刚完成后进行检侧或检验。
换一个角度看，统计质量控制是为了贯彻预防原则，应用统计技术对过程中
的各个阶段进行评估和监察，从而保证产品与服务满足要求的均匀性。
贯彻预防
原则是现代质量管理的核心和精髓，为了保证预防原则的实现，必须在生产过程
中引入统计过程控制，统计过程控制（SPC）有下列特点:
与全面质量管理相同，
强调全员参加，而不是只依靠少数质量管理人员;强调应用统计方法来保证预防
原则的实现;强调过程管理，强调从整个过程、整个体系出发来解决问题。
2.2统计质量控制技术的应用意义
统计质量控制技术的应用意义主要表现在以下3个方面:
1.统计质量控制技术提供了“面向事实’的有效的分析与诊断工具
有效的质量改进始于对质量l’q题的正确认识。
但恰恰在这方面人们往往犯主观臆想的错误，如人们常常听到这样的话:
“这道工序超差严重是工人操作不仔细造成的，应该对工人的操作严加控制”、“这台机器太落后了，保证不了质量”。
而人们在说这些话时，仅凭着自己的想象或经验。
固然，一些质量问题产生的原困比较直观，凭经验就可以发现这些原因。
但大量的质量问题是与许多因素相关联的，如果缺乏科学的态度和手段，则很难正确认识其产生的主要原因，有效的纠正也就无从谈起。
很多质量问题之所以长期存在，原因就在于此。
统计质量控制技术提供了将质量问题的认识建立在对客观数据的观察和分析的基础之上的方法，从而使人们对质量问题的认识从臆想出发而变为事实判断。
2.统计质量控制技术提供了“源头治理”的有效的分析与改进工具
为了说明这个问题，首先来看一下工序能力和工序能力指数的意义及其影响
因素。
工序能力是指工序处于稳定状态下，加工技术水平与加工质量要求间的适
应程度。
在用Cp表示工序能力时，若Cp<1.0，说明此工序即使在受控状态下运
行，仍然会造成一定的超差。
一般说来，工序能力受人、机、料、法、环、测等
因素的影响，但更主要受加工设备、工艺方法和工艺参数的影响。
值得注意的是，
工序能力不足造成的质量问题是不能用工序加严控制来改善的，因为控制只能发
现和消除异常因素对质量造成的影响，如材料不合规格、工人不执行工艺规程、
设备出现异常情况或环境出现异常情况等。
提高工序能力的关键在于改变工艺参
数、工艺方法以及加工和测量手段等，也就是要更改工艺设计。
从目前开展调研
的情况来看，工序能力不足是困扰质量的一个大问题.很多重要工序处于工序能
力不足或严重不足状态。
因此，对这样的工序，只有改善了工序能力，才能从根
本上解决加工质量问题。
很多应用统计实验设计技术改进工艺设计仅用较小的投
人就将工序能力提高了的事实说明了这点。
3，统计质量控制技术为企业提供了“注重过程”的有效监控工具
在开展了有效的质量诊断和源头治理的基础之上，运用统计控制图就可以实
现对过程的有效监控。
在生产线上使用控制图，对大批量加工的质量控制的效果
尤其明显。
对大批量加工来说，100%的检验是不经济或不可能的，需要更有效的
控制方法，而在生产线上使用控制图，可以及时地了解和监控工序的状态。
一旦
工序出现异常变化趋势，从控制图上便可发现，并且在出现超差之前及时纠正。
这样做可以变监控产品为监控过程，真正起到了预防作用。
4.统计质量控制技术满足了企业的迫切需要
西方工业发达国家来华加工定货，一般都要求加工企业在生产线推行S陀，
如未推行就认为该企业的产品质量没有保证，拒绝定货。
现在，此风愈演愈烈，
甚至一些发展中国家也提出上述要求。
我国加入世贸组织WTO后，可以预计在
国际市场中的竞争将更加激烈，从而各个企业对质量科学的需求将会更加迫切
2.3统计质量控制中常用的两种工具
2.3.1过程能力
过程能力是指当制造过程处于统计控制状态时，制造过程输出所固有的正常变动的范围。
按此定义，在生产中，过程能力等于6倍的标准方差σ或士36σ。
若制造过程处于统计控制中，则称该过程为稳定状态。
在规划产品制造过程和选择制造过程时，必须保证产品的制造过程的过程能力（又称为固有允差极限）同产品设计要求的允差（公差）相匹配。
在LED灯生产过程中进行过程能力控制，对于进一步的产品质量保障有很大的作用。
1.LED灯生产过程过程能力的计算
在质量工程中，这种匹配关系用过程能力指数Cp，来度量，Cp，被定义为:
Cp=2容差（公差）/6σ==2△/6σ
2.LED灯生产过程过程能力的价值
在实际的生产过程中，人们己经越来越多地认识到研究和应用过程能力指数的必要性:
（1）能够合理、全面地反映系统因素、随机因素对过程能力的影响;
（2）提高产品的合格率;
（3）监控产品的生产过程，有助于查找影响产品质量波动的因素;
（4）为推进连续质量改进、提高利润，提供科学的量化指标;
（5）由于过程能力指数都是无量纲的简单数，不仅对生产过程的状态提供了简洁明了的指示，同时也方便了操作员及时发现问题、解决问题，使生产过程处于较高的过程能力状态，较少损耗，节省开支。
过程能力指数的优势是经过实践检验的，而且几乎每个过程能力指数都有确定的含义及其自身的特点。
因此，如何在实际应用中正确地分析问题、恰当地选择和使用现有的过程能力指数将是今后统计过程控制研究中堕待解决的问题。
3.对LED生产过程使用过程能力控制应注意的问题
使用过程能力指数时也需要注意下面的几个问题:
（1）过程的输出变量是否是可以检测的;
（2）所研究的过程对象是否处于统计控制状态:
（3）设计目标是否位于性能指标容许区间的中心;
（4）过程中的检测变量是否服从正态分布。
当检甜变量X的分布为非正态分布时，需特别注意非正态分布带来的影响以及如何降低或削弱这些影响的方法和途径:
（5）没有一个过程能力指数能够适用于所有的过程，而且单个的过程能力指数很难揭示过程的全貌。
因此，在实际应用中，一方面可以适当地选取适合需求的过程能力指数或选用多个过程能力指数来综合考查过程能力的方法，另一方面恰当地使用过程能力图也会对过程能力的分析产生很大的帮助。
2.3.2控制图
控制图是对过程质量特性值进行测定、记录、评估，在针对LED生产过程中质量控制，对其监察其过程是否处于控制状态的一种用统计方法设计的图。
由于可以直接控制与诊断过程，故称为质量管理七个工具的核心（质量管理七个工具分别是:
因果图、排列图、直方图、散布图、控制图、分层法、检查表）。
控制图中有中心线CL、上控制限制UCL和下控限制LCL，并有按时间顺序抽取的样本统计量数值的描点序列，参见图2.1。
图2.1控制图示例
在使用过程中，将UCL,CL和LCL统称控制线，在判断过程中若控制图中的描点落在UCL与LCL之外或描点在UCL与LCL之间的排列不随机，则可以判LED生产过程异常。
图2.2控制图的演变
图2.3X控制图
控制图是由正态分布图演变而来的，如图2.2所示，先将正态分布图按顺时针方向旋转90度由于图中数值上小、下大不符合常规，再将图上下翻转180度，最终成为一张控制图，具体说是一张单值（x）控制图。
如图2.3所示。
图中UCL=u+3σ为上控制限，CL=u为中心线，LCL=u-3σ为上控制限，当曲线有一定的偏移时，反映到控制图上的点是超出了控制线。
控制图有一个很大的优点，即在图中将所描绘的点子与控制界限或规范界限相比较，从而能够直观地看到LED产品或服务的质量。
但如何去体现在贯彻预防原则中的作用呢?
情形1:
应用控制图对生产过程进行监控，如图2.4所示，如出现上升倾向，显然过程有问题，故异因一旦出现，即可发现，于是可及时采取措施加以消除，这当然是预防。
但在现场出现这种情形是不多的。
图2.4控制图点子形成倾向
情形2:
更经常地是控制图上点突然出界，显示异常，这时必须按照下列“20
字方针”去做:
“查出异因，采取措施，加以消除，不在出现，纳入标准”，每执
行一次“20字方针”，就消灭一个异因，于是对异因而言，起到了预防的作用。
常规的LED灯质量控制图主要有:
（1）X图:
是表征制造过程给定输出项（指标的渊得值）的均值随时间的变
化情况。
按照制造过程的进行，成组抽样，将每组测得值的算术平均值画在控制
图中而获得。
（2）R图:
在R图中给出的是每组抽样的范围。
它用来监视过程的变化和指
示过程偏差范围随时间的变化特性。
（3）P图:
画入P图的是每组抽样中废品所占的百分数。
它主要用来控制废
品率。
当废品率超过上控制限时，表征该过程已偏离了统计控制范围。
（4）C图:
它是将每次抽样样品中的废品顺序件号、件数或计数画在控制图
中，用于表征废品件号或件数随时间的变化状况。
第三章LED灯的通用生产工艺过程及质量控制
3.1LED灯的通用生产工艺过程
3.1.1LED制作流程概述
LED的制作流程包括上游的单晶片衬底制作、外延晶片生长；中游的芯片、电极制作、切割和测试分选；下游的产品封装。
图3.1.1LED制作流程图
中游
3.1.2LED芯片生产工艺
LED照明能够应用到高亮度领域归功于LED芯片生产技术的不断提高，包括单颗晶片的功率和亮度的提高。
LED上游生产技术是LED行业的核心技术，目前在该技术领先的国家主要日本、美国、韩国，还有我国台湾，而我国大陆在LED上游生产技术的发展比较靠后。
下图为上游外延片的微结构示意图。
图3.1.2蓝光外延片微结构图
负极
生产出高亮度LED芯片，一直是世界各国全力投入研制的目标，也是LED发的方向。
目前，利用大功率芯片生产出来的白光1WLED流明值已经达能到150lm之高。
LED上游技术的发展将使LED灯具的生产成本越来越低，更显LED照明的优势。
以下以蓝光LED为例介绍其外延片生产工艺如下：
首先在衬低上制作氮化鎵（GaN）基的外延片,这个过程主要是在金属有机化学气相沉积外延片炉（MOCVD）中完成的。
准备好制作GaN基外延片所需的材料源和各种高纯的气体之后，按照工艺的要求就可以逐步把外延片做好。
常用的衬底主要有蓝宝石、碳化硅和硅衬底,以及GaAs、AlN、ZnO等材料。
MOCVD是利用气相反应物（前驱物）及Ⅲ族的有机金属和Ⅴ族的NH3在衬底表面进行反应,将所需的产物沉积在衬底表面。
通过控制温度、压力、反应物浓度和种类比例，从而控制镀膜成分、晶相等品质。
MOCVD外延炉是制作LED外延片最常用的设备
然后是对LEDPN结的两个电极进行加工，电极加工也是制作LED芯片的关键工序，包括清洗、蒸镀、黄光、化学蚀刻
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