嵌入式系统在LED自动化设备的应用

旺矽科技股份有限公司海外行销副总 刘永钦

自从蓝光LED突破量产技术之后，LED快速的从电视╱显示器、汽车电子、移动设备、笔记本电脑、号志等应用快速渗透，更企图要终结百年来爱迪生钨丝灯泡的王朝；随着LED磊晶单价的快速下滑与生产量的提昇，厂商更倚重能够做快速生产、分选与封装的LED生产自动化设备机台，而嵌入式系统能够在自动化机台的实时处理、分散式模块扩充性、多工同轴做动与通讯的应用上，提供自动化功能，协助厂商打造低成本、高品质的生产线。

LED制程与所需自动化设备的需求

旺矽科技(MPI)海外行销副总刘永钦指出，在整个LED产业链，跟现有的半导体制造流程类似，但更为简单。以LED灯泡为例，可以分为：Step0. 磊晶与芯片(EPI & Chip)；Step1. 封装(Package)；Step2. 基板封装(Package On Board)；Step3. 安装灯具╱驱动源(Light Engine/Source)；Step4. 安装夹具(Fixture)；Step5. 品牌代理行销(Channel Brand)。他提到LED不同应用，对于磊晶规格的需求也有所不同。

在Mobile移动设备上，要求小晶粒、发光效率，而动态对比部份要求到高亮度；在电视装置上，动态对比要求高亮度，画质与节能部份则要求发光效率，若需薄型化则更要求晶粒尺寸。大尺寸面板要求亮度波长、严格分选；最后在Lightning照明上，高亮度部份要求大晶粒、演色性、发光角度、正确色温，若是强调发光均匀性，则还需借助COB(Chip On Board)制程。LED灯泡╱灯具内的磊晶寿命很长，但Inverter与交流转直流变压器元件寿命通常比较短。

整个LED制程可区分为：1.硅片基板(Substrate)。2.磊晶(Epitaxy)。3.芯片制作(Chip Process)。4.矽芯片探测(Wafer/Chip Probing)。5.视觉检测(Vision Inspection)。6.芯片筛选(Chip Sorting)与7.最后封装(Package)。他指出在Wafer/Chip Probing这一部份，传统半导体制程，可以将硅片片套在硅片片测试置具上片一次测试完毕；但LED磊芯片由于要测试光源色温，只能一颗一颗磊晶去做测试、分选。

因此旺矽科技(MPI)在Chip Process这部份有T200 电性╱光学测试机，在Wafer/Chip Probing这部份有P8000全自动化探针测试机，在Vision Inspection部份有A2000全功能自动化LED AOI机台，Chip Sorting部份有M76FD半自动筛选机，以及最后封装阶段的TL-530全自动封装机台。这些机台都需要许多嵌入式系统在里面。

嵌入式系统在自动化设备的角色

对自动化设备制造商而言，自动化设备的挑战在于：1. Compact Design更压缩紧密的设计：需要更小的控制器、更小的控制元件、分散式控制模块。2. 稳定的系统：需要封闭式作业环境、有限的控制权限、可直接断电关机、病毒防制。3. 复合式功能：提供更多的附加功能、智能操作设计、模块化设计。4. 快速的生产效率：高速高精度、更快的反应时间、多工多轴同动。

刘永钦指出，嵌入式系统的导入，可以帮助自动化设备机台达到实时(Realtime)、分散、多工与通讯四大要求。在实时处理部份，要求到高速高精度、更快的反应时间、以及兼顾多工多轴同动的需求。在分散部份，封闭式作业环境、有限的控制权限、可直接断电关机、病毒防制、分散式控制模块、更小的控制器、更小的控制元件。多工部份以更多的附加功能、智能操作设计、模块化设计达成。通讯部份则以分散式控制模块与模块化设计来建构机台通讯的功能。

刘永钦举出，在Real Time技术的实际应用中，像是能千分之一秒(millisecond)内即刻反应的Edge Sensor保护机制，可以避免机台探针弯曲或晶圆破裂。分散技术应用实例中，则是设计一个样样功能通包的设备机台，成本过于高昂，且操作与维护的人力成本也不划算，不如在机台设计初期，就预留一些附加设备模块化的机制，可以供用户另外去市场添购。该公司的点测机台就是这种可分散选购、扩充的模块化设计。

过去Vision Inspection设备机台，本身会有一个光学的显微镜模块(Microscope)，藉由光纤连接到外接的频谱分析模块(Spectrum)，这种分离式外接模块的设计，裸露在外的光纤连接线，常造成机台维修人员的困扰。他提到另一个旺矽科技的专利–直接把频谱模块跟显微镜直接整合于机台，以积分球面镜集光，并且加入嵌入式系统来计算后，以USB界面直接传输到频谱模块。这种整合式设计，较传统显微镜跟频谱模块藉由光纤连接的分离式设计，整个视觉观察机台显得更小巧也更方便可靠。

通讯技术的应用中，像自动化机台的PLC模块，可以透过有线甚至无线WiFi网络连接到中控终端器，能够将最前端的生产管理的状态，实时回传到中控台、总经理室甚至是客户端的电脑。

多工技术应用实例上，刘永钦以一个LED磊晶生产线设置为例。从置盘搬送机(Bin Cassette)、运送未分选磊晶圆到缓冲站(Buffer station)，由搬移臂(Transfer ARM)夹取未分选磊晶圆到分选环形桌机台(Ring Table)进行分选，分选后的磊晶会透过取置机(Pick & Place Module)放到置盘上，等置盘放满磊芯片后，藉由载盘机(Loader)放回置盘搬送机。他们在置盘机导入Windows CE嵌入式系统，能在整个多工多轴的运行过程中，依照每一个机台启动时间与最小间隔来做调校，排出最紧密且有效率的产能输出。

LED 市场及应用分类

刘永钦指出，LED已经有几十年历史，但是在十几年前，由LED尊称为「蓝光之父」的中村修二先生，以蓝宝石基材突破了过去蓝光LED难以量产的技术桎梏，拼凑出LED在各种可见光的照明应用。十年前300μm的LED磊晶单颗1美元，如今相同LED磊晶一颗大约新台币1元。LED材料售价的惨烈下滑，带动的各行业LED照明应用的普及。目前LED市场及应用的五大区块，包括大家熟悉的电视与显示器(TV&Monitor)、汽车电子(Auto Motive)、移动设备与笔记本电脑(Mobile&NB)、号志(Sign)、照明(Lightning)等。

在电视与显示器部份，数年前SONY率先以直下式LED背光源设计出LED电视，采R、G、B三原色LED磊晶，成本太过昂贵；三星则改采屏幕两边或三边的侧光式LED背光源设计，打造出低成本、薄边框的LED背光源电视，也使得LED电视渗透率提昇，2009年之后成为市场主流。依2011年Strategies Unlimited所做的市调，在TV&Monitor这部份LED封装品市场营收达26亿美元。

在汽车电子(Auto Motive)这部份，从早期车头灯、Taillight车尾灯，到后期Interior Light内部照明及仪表板的LED应用。未来可能如电影情节一般，以透明式显示幕(OLED)的姿态，将GPS导航信息直接在挡风玻璃上显示。2011年在这部份的LED封装品市场营收约6.32亿美元。

至于移动设备与笔记本电脑(Mobile & NB)，涵盖笔记本电脑、平板、智能手机等的LED显示应用，2011年在笔记本电脑、平板的LED封装品市场营收9.63亿美元。智能手机的LED封装品营收更达17亿美元。而号志显示(Sign)应用，像是户外大型LED显示看板，大型歌剧厅内的LED装饰灯光的应用，2011年在这部份LED封装品营收达15亿美元。

LED最被看好也是最大宗应用市场的Lightning照明，像是Architectural建筑设计、户外照明等，据Strategies Unlimited市调结果，2011年LED封装品市场值达到21亿美元，到2016年可达33亿美元，LED照明应用在这几年将会呈现几何级数函数曲线的成长趋势。至于其他的LED应用，像是交通灯号、小钢珠、微投影机、农业值栽照明、鲑鱼成长，以及像美容医疗上的应用等等。

刘永钦最后总结，嵌入式系统应用在自动化设备的未来趋势，在于：
1.更快的生产效率：速度与精度同步提升、通讯时间减少、快速且准确的同步控制。
2.提供更多的附加功能：硬件预留可扩充性、韧体更新功能。
3.更稳定的系统：封闭的操作系统、细分权限与操作功能、病毒防制与防呆保护。
4.趋向Compact紧密设计取向：控制元件微型化、功能模块化，有助于打造体积更小的自动化机台。