Aydınlatma dünyasının geleceği olarak gelişimine hızla devam eden Iışık yayan diyotlar (LED), elektrik enerjisini ışığa dönüştüren yarı iletken bir devre elemanıdır. Teknolojide pekçok alanda kullanılan LED’lerin son yıllarda popüler kullanım alanlarından biri de aydınlatma sektörüdür.
LED üretimi alttaş, epitaksi,çip işleme, biçimlendirme ve paketleme aşamalarından oluşan kompleks bir kimyasal süreç olarak ilerler.
LED ve Aydınlatma
LED çip, p-tipi ve n-tipi yarı iletken katmanlardan oluşur. Bu katmanlar, p-tipi artı yüklü iyonlar ve n-tipi de negatif yüklü iyonların katkılanmış olduğu yarı iletken katmanlardır. Yeterli gerilim uygulandığında katmanlar arasından akım geçmeye başlar. Bu uygulama sonucunda negatif ve pozitif yüklerin (electron-hole) kombinasyonu sonucu ortaya çıkan enerji, foton (ışık) olarak yayılır. Bu işlem elektrolüminesans olarak da bilinmektedir. Resim 1’de de görüldüğü gibi artı ve eksi kutuplara potansiyel uygulandığında negatif yüklerin pozitif yükler ile kombinasyonu sonucu foton (ışık) ortaya çıkar.
Resim 1. LED’in ışık yayma prensibi.
Elektrolüminesans ilk defa 1907 yılında H. J. Round tarafından bulunmuştur. LED’in ilk kaydedilmiş bulunuşu da 1927 yılında Oleg Losev tarafındandır. 1990’lara kadar düşük enerjili LED’ler gösterge gibi uygulamalarda kullanılmıştır [3]. Yüksek güçte LED’lerin üretimi ise 90’lı yılların sonlarını bulmuştur. Genel aydınlatma için beyaz ışık ve yüksek akılara ihtiyaç olması nedeniyle genel aydınlatmada LED kullanımı ancak 2000’lerde başlamıştır. Günümüzde ise LED aydınlatma ürünleri, aydınlatma piyasasında belli bir pazar payına sahiptir. Yıllar içinde teknolojik gelişimler ile LED armatürlerin pazar payı ve üretim rakamları ciddi oranda artmıştır. Dünyada 2014 yılında genel LED aydınlatma pazarında %7 artış bildirilmiş ve bu büyümenin artmaya devam ederek 2018’de 16 milyar dolar olması öngörülmektedir [1].
LED Üretimi
LED çipin yapısı, daha önce de belirtildiği gibi yarı iletken malzemelerden meydana gelir ve ışık rengini, dalga boyunu ve frekansını bu yarı iletken malzemeler belirler. Örneğin, mavi renkli ışık yayınımı istenirse GaN veya InGaN kullanmak gerekir.
LED çipler ile beyaz ışığı oluşturmak için de iki farklı yöntem vardır. Birincisi, RGB yani kırmızı, yeşil ve mavi renkli LED çiplerin birleşimi ile beyaz ışık elde edilebilir. Bu yöntem ile renk sıcaklığı çok kolay ayarlanabilir ancak CRI (Color Rendering Index) yani renk geriverimleri ve etkinlik faktörleri düşük olmaktadır. Diğer bir yöntem ise mavi ışık üzerine fosfor kaplamaktır. Bu yöntem genel aydınlatmada en çok kullanılan yöntemdir. Tek LED çip kullanımı, kolay kontrolü, ikincil optiklerle ışığın kolay yönlendirilebilmesi, yüksek renk geriverimi ve yüksek etkinlik faktörü bu yöntemin avantajlarıdır. Bu durumda fosfor kaplamalı beyaz bir LED çip paketi aşağıdaki öğelerden oluşacaktır (Resim 2);
- Alttaş (wafer),
- Ana bileşen olarak ışık akısını (lümen) ve verimini (lm/W) belirleyen yarı iletken çip,
- Mavi ışığı beyaz ışığa çevirerek tonlarını belirleyen fosfor,
- Işık kontrolünü sağlayan lens.
Resim 2. Fosfor teknolojili beyaz bir LED çip paketin yapısı
LED üretim teknolojisinde tipik üretim akışı Resim 3’te de görülebileceği gibi alttaş, epitaksi, çip işleme, biçimlendirme ve paketleme olarak ilerler.
Üretim süreci alttaş malzemelerin kontrolü ve temizlenmesi ile başlar. Örneğin 2" (50mm) çapındaki bir safir (Al2O3) alttaştan yaklaşık 4000 adet çip elde edilir.
Resim 3. Tipik bir LED üretim süreci
Daha sonra MOCVD (metal organik kimyasal buhar yoğunlaştırma) ya da MOVPE (metal organik buhar fazı epitaksisi) olarak adlandırılan yöntem ile, bir alttaş üzerine ince katmanlar oluşturulur. Oluşturulan katmanların kalitesi yüksektir (tekrarlanabilirlik, büyütme oranı, katkılama). Aynı sistemde farklı malzemeler büyütülebilir ve farklı arayüzler, katmanlar oluşturulabilir. MBE (Molecular Beam Epitaxy) yöntemine göre ekonomiktir ve yüksek derecede vakum gerektirmez
Resim 4. Aixtron ve Veeco firmalarına ait MOCVD cihazları.
MOCVD cihazları yüksek frekanslı uygulamalar için kullanılabilir ve yüksek sıcaklıklara dayanabilen yapılar oluşturulabilir. Işık kaynağı ya da algılayıcısı olarak kullanıma uygun cihazlar yapılabilir.
Resim 5. Aixtron firmasına ait Closed Coupled Showerhead 19x4” MOCVD (metal organik kimyasal buhar yoğunlaştırma) cihazı.
Epitaksi işlemi kullanılarak yarı iletken malzemelerin katmanları oluşturulmuştur. Daha sonra kontakların yapılması, yontulması ve alttaş üzerinde inceltme ve kesme işlemleri tamamlandıktan sonra çipe fosfor eklenir ve lens montajı yapılır, soğutucu plakalarla paketleme işlemi gercekleşir ve LED çip paketi hazır hale gelir.
Resim 6. LED Çip üretim aşamaları
Çip işleme tamalandıktan sonra paketleme aşamasına geçilir. Öncelikle işlenmiş wafer, lazer ile istenilen çip boyutlarında kesilir. Kesilen bu çipler, kullanılacak olan paketlere (silikon, seramik yada plastik) yerleştirilir ve sağlamlığı test edilir. Daha sonra mesa yapılarında bulunan p ve n jonksiyon noktalarına ve paket içerisindeki anot ve katota bağlantılar yapılır ve kablo sağlamlıkları itme-çekme testleriyle kontrol edilir. Bu yapının üzeri istenen renk sıcaklığına göre farklı oranlarda dağıtıcı dediğimiz fosforla kaplanır (Resim 7).
Bu işlemden sonra ikincil optik (lens) kullanılacaksa bu malzeme yerleştirilir ve biçimlendimeye gönderilir. LED paketlerin yapısı biçimlendirildikten sonra seleleme ve sınıflandırma aşamalarına geçilir. MOCVD ile oluşturulan yarı iletken katmanların homojen şekilde büyütülmesi beklenir. Fakat büyümenin tam olarak homojen olmayışı, LED çiplerden farklı dalga boylarında ışık yayılmasına, farklı ışık akılarına ve farklı ileri gerilim değerlerine sahip olmalarına sebep olmaktadır. Bu aşamada üretilen LED çiplerin söz konusu parametrelere göre sınıflandırmaları gerekmektedir. Aynı optik ve elektronik özelliklere sahip LED çip paketleri aynı makaralara sarılarak paketlenir.
Chip on Board (COB) olarak tanımlanan LED paketlerinde ise 20-100 arası LED çipler birbirlerine çok yakın olarak konumlandırılarak küçük alanlardan büyük ışık akısı elde etmek için kullanılırlar. Resim 8’de farklı LED çip sayıları ve tipleri kullanılarak üretilen LED paketleri görülmektedir.
Resim 7. LED Çip paketleme aşamaları.
Resim 8. Farklı LED çip sayıları ve tipleri kullanılarak üretilen LED paketleri ve sınıflandırmaları
Kaynaklar
[1] Market and Technology Reports, Status of the LED Industry, 2013 (http://www.i-micronews.com/reports/Status-LED-Industry/14/394/)
[2] Aixtron MOCVD catalogue.
[3] http://www.edisontechcenter.org/LED.html
Gökçen KESGİN
Vestel LED Aydınlatma, Pazarlama