1、文华学院毕业设计（论文）高速 LED 检测设备的结构设计学 生 姓 名： 宋宪振 学号： 070302021119 学 部 （系）： 机械与电气工程学部 专 业 年 级： 07 机械设计制造及其自动化 2 班 指 导 教 师： 李文慧 职称或学位： 硕士 2011 年 5 月 15 日华中科技大学文华学院毕业设计（论文）0目 录摘 要 .I关键字 .IAbstract .IIKey words .II1 绪论 .11.1 LED 的发展现状和市场前景 .11.2 国内外研究概况 .21.3 本文主要研究内容 .42 LED 芯片检测原理和设备方案的选择 .62.1 LED 芯片检测的原理 .6
2、2.2 LED 检测设备的功能需求 .62.3 LED 检测设备的组成 .72.4 检测设备工作过程 .73 DH-LP320 型 LED 检测机的机械结构设计 .83.1 XY 运动平台的设计 .83.1.1 方案论证 .103.1.2 丝杠螺母的设计和选型 .103.1.3 导轨设计与选型 .173.1.4 电机计算与选型 .213.1.5 XY 平移台的整体结构设计 .25华中科技大学文华学院毕业设计（论文）13.1.6 XY 移动平台丝杠导轨安装板的设计 .273.1.7 马达托架的设计 .293.1.8 导轨夹具 .313.2 旋转工作台的设计 .333.3 Z 向工作台的设计 .3
3、43.4 上部平台设计 .353.5 探针台结构 .364 DH-LP320 型 LED 检测设备的 Pro/E 建模 .385 设计总结 .40参考文献 .41致 谢 .43华中科技大学文华学院毕业设计（论文）高速 LED 检测设备的结构设计摘 要LED 的应用越来越广，用户对于 LED 产品的光色性能的要求不断提高， LED 芯片的检测与分拣已成为 LED 芯片制造生产线中不可缺少的环节。此外，近年来我国LED 芯片行业的发展促使 LED 检测分拣设备的需求量也越来越大。 LED 检测机是成套设备中的重要组成部分，而我国 LED 芯片的检测和分拣主要依赖国外设备，制约着我国 LED 芯片产
4、业的发展。LED 检测设备是对 LED 芯片光电参数进行检测，为分拣提供数据。本文通过研究国内外同类设备，分析其工艺原理和总体需求，提出设计方案，对 DH-LP320 型 LED检测机的机械结构进行设计，包括对 XY 运动平台、旋转工作台、Z 向工作台、上部结构、探针台的设计，主要对关键部位高速高精度 XY 运动平台的设计，分析比较选用丝杠导轨机构实现 XY 二维运动，根据使用要求对丝杆螺母、导轨、电机等进行计算与选型。用 Auto CAD 绘制各零部件工程图，采用 Pro/E 进行整机三维建模装配，所得到的三维实体模型直观、逼真的显现主要零部件的详细结构和形状，便于进行干涉检查，有效节约了产
5、品设计时间，提高了设计效率，具有一定的实用价值。开发高速LED 检测设备，对于打破产品垄断，降低国内设备应用的成本，增强企业竞争力，突破产能瓶颈，有非常重要的意义。关键字：LED ；芯片检测；高速微动平台华中科技大学文华学院毕业设计（论文）IHigh-speed LED Test Equipment DesignAbstractAs more and more wide application of LED, the user of products for the LED light color performance is ever increasing, LED chip detecti
6、on and sorting LED chip manufacturing has become an indispensable part of line, in addition, our LED chip industry in recent years prompted the LED chip sorting device testing demand is also growing. LED chip testing equipment in the machine is an important part, and our LED chip testing and sorting
7、 of the main dependent on foreign equipment, which restricts the development of LED chip industry. LED is the LED chip testing equipment for testing optical parameters, to provide data for the sorting. Through the study of similar equipment at home and abroad, to analyze the process principle and th
8、e overall demand, proposed design, based on the DH-LP320 LED detector mechanical structure design, including the XY motion platform, rotary table, Z to the table, the upper structure, probe station design, the main part of the key platform for high-speed high-precision XY motion design, analysis and
9、 comparison of selected screw rail agencies to achieve the XY two-dimensional movement, according to the requirement of the screw nut, rail, motor, etc. are calculated and selection. Drawing with Auto CAD drawings of the components, the use of Pro / E three-dimensional modeling of the whole assembly
10、, the resulting three-dimensional solid model of intuitive, realistic show the detailed structure of the main components and shape, easy to intervene so as to effectively save product design time and improve the efficiency of design, has some practical value. Development of high-speed LED testing eq
11、uipment, for breaking the monopoly product, reduce the cost of the application of domestic equipment, and enhance the competitiveness of enterprises to break through capacity bottlenecks, have very important significance.Key words：LED ；Chip Testing；High-speed Micro-platform华中科技大学文华学院毕业设计（论文）01 绪论1.1
12、 LED 的发展现状和市场前景20 世纪 50 年代末， Monsanto 及 Hewlett Packard 公司研制出首只 GaAsP 红色发光二极管，称之为 LED(Light Emitting Diodes)。LED 是一种半导体材料制成的固体光源，物理层面上类似于 P-N 结二极管。当阳极与阴级间通正向电压时，电子和空穴向截面运动，复合后释放出能量，发出可见光或红外光是近几年来迅速崛起的光电器件。它具有亮度高、重量轻、电流小、电压低、体积小、发光响应速度快和节能等优点，容易与晶体管和集成电路配套使用，因而在光通信光源调制、照明和指示灯、等领域有广泛应用。早在 1964 年就研发出红光
13、 LED，之后出现黄光 LED。直到 1994 年，蓝色、绿色LED 才研制成功。1996 年由日本 Nichia 即日亚公司成功开发出白光 LED。白光 LED 是 LED 家族中最后一个问世的，白光是复合光，以人类眼睛所能见的白光形式至少需要两种以上的光混合。一般有下列两种混合方式：（1）三波长光, 即蓝色光、绿色光与红色光混合；（2）二波长光, 即黄色光与蓝色光混合。目前已商品化的产品很多是二波长蓝色光单晶片加上黄色荧光粉, 三波长光以无机紫外光单晶片加B、G、 R 三色荧光粉。由此可见，要想让 LED 真正应用在日常生活中，蓝色光 LED芯片是不可缺少的。LED 灯箱对白炽灯来说有很多
14、优点，主要体现在：1、寿命长、抗振性好；2、单色性好，色彩鲜艳丰富；3、高效率、低能耗；4、响应时间短；5、绿色照明光源；6、体积小、重量轻；7、平面发光，方向性强；8、单个 LED 的光通量小等。正是由于 LED 的这些优点，所以越来越受到人们的重视。LED 低压闪光灯电路省电、高效、简单、成本低、占 PCB 板面积非常小，特别适用于手机、数码相机等手持设备，因此将赢得整个手持设备和手持影像产品市场的青睐以及大屏幕彩色显示、路灯、多媒体显像、医疗设备、交通信号灯、打印机、汽车前照灯等方面，因此各国也加强了相关的研究工作。LED 产业规模发展非常迅猛，市场潜力非常大，但是它的发展离不开 LED
15、 装备业的发展作为支撑。而 LED 行业又有它的特殊性，由于生产过程的原因，每个 LED 芯片都是独一无二的，在光电特性上都有稍许不同，这就要求所有 LED 芯片都要进行测试并根据其光电特性进行分拣，LED 检测设备的作用就在于此。而对于研发和生产成本相对较高的蓝色 LED 芯片，特别是高亮蓝色 LED，更是有很大必要对其实施检测和分拣，LED 芯片检测和分拣是 LED 芯片生产流程中不可缺少的部分。华中科技大学文华学院毕业设计（论文）1随着 LED 照明产业的发展，国内芯片产能目前呈爆发式增长，检测和分拣的速度是整个生产流程的瓶颈，而高速 LED 检测设备和分拣设备基本完全依赖进口。因此，开
16、发具有自主知识产权的高速 LED 检测设备和分拣设备，对于打破产品垄断，降低国内设备应用的成本，增强企业竞争力，突破产能瓶颈，都有非常重要的意义。由此可以看出，对 LED 芯片的高速检测设备进行设计是非常必要的，所以高速 LED 检测机是不缺少市场的。随着国家照明工程的起步，国内 LED 芯片设备的巨大需求再次引起了国外 LED设备生产商的积极响应，他们日益重视中国国内这个巨大的市场。但是，在这里面也存在着一个隐忧，国外芯片设备的价格昂贵，相对制约了国内企业的产业化、规模化发展，也消耗了国家宝贵的外汇资金，同样减小了国内设备生产商的发展空间。同时， LED 行业属于高精尖技术行业，与 LED
17、芯片相关的设备都有很高的性能要求和加工要求，这也阻碍了国内 LED 芯片设备的研发。中国的 LED 产业需要包括设备制造企业、LED 生产企业以及国家等多方面的努力，才可以迅速地成长起来，并在国际大环境中占有自己的一席之地。1.2 国内外研究概况日本是 LED 产业的大国和起源国，其 LED 产业发展较早且拥有较多的相关知识产权。日本、东芝、夏普、索尼、日亚昭和等企业最早进入 LED 研究领域，至今上游芯片及白光、蓝光 LED 制造技术专利仍然大多为日本掌握。对于欧洲来说，虽没有较多资料显示其研究情况，但像 Osram，Philips 等大公司也投入到 LED 产业研究中，美国的 LED 研究
18、也较早起步，主要有 HP，CREE，GE 等公司，我国台湾地区也有如光宝、晶元光电和亿光等公司紧随这些国际大公司之后。LED 产业被认为即将引发第三次照明革命，并能解决环境污染和全球性的能源短缺问题。LED 的优势是不言而喻的，在当前全球能源紧张的情况下，发展 LED 是节能的一个很有效的途径。世界多个国家和地区都提出了自己的 LED 推广工程计划，见下表 1-1。仅 LED 景观灯一项就可以在我国带来 3000-5000 亿人民币的产值。有鉴于此，各国都针对自己的 LED 产业提出了相应的振兴计划和扶持政策，以期望在这一新兴领域占据一席之地。在我国，在 2003 年 6 月 17 日，国家科
19、技部联合信息产业部、教育部等部门以及北京、上海等地区联合成立了国家半导体照明工程协调领导小组，正式启动“国家半导体照明工程” 。各地政府也纷纷出台了相应的扶持政策和措施。如东莞市决定，采用国产 LED 测试和分拣设备的厂家，在采购时政府给予 60%的资金补贴，由此可见，政府的支持力度是相当大的。随着 LED 产业的发展，相关检测设备的需求大幅度提升。华中科技大学文华学院毕业设计（论文）2通过近几年的发展，我国 LED 检测设备的国产化已有了很大的提高，部分设备的技术甚至达到了国际领先水平。我国半导体照明 LED 技术标准、检测设备的发展，将有力推动 LED 应用产品的技术提升和产业发展。同时，
20、也为中国在 LED 应用产品的自主创新和走向国际市场提供重要的支撑。表1-1 世界各国的半导体照明计划国家 时间 项目名称 项目预期目标 预计效益日本1998年21世纪光计划到 2006年50%的传统照明被白光LED取代可减少12座核电厂的发电量，每年节省10亿吨L 以上的原油消耗。美国2000年国家半导体照明计划到 2010年55%的白炽灯和荧光灯被白光LED取代每年节约350亿美元电费，每年减少 7.55亿吨CO2 ，形成500亿美元的大产业。韩国2004年固态照明计划20042008年国家投入1亿美元，企业只提供 30%的配套资金，预期2008年达到80lm/W欧洲2000年 彩虹计划通
21、过欧州共体的补助金推广LED的应用通过应用半导体照明实现节能、高效、不使用有害环境的材料、来模拟自然光的目标中国台湾2001年次世纪照明光源开发计划以白光LED取代100%的荧光灯和25%的白炽灯每年节省110亿kwh ，相当于一座核电站的发电量中国大陆2003年国家半导体照明工程20062020年，投资50100亿元发展半导体照明， LED达到150200lm/W，15元/klm。技术形成自主知识产权。建立半导体照明产业，全面进入通入照明市场占有3050% 的市场份额，实现节电30% 以上，年照明节电1000亿kwh 以上我国大陆 LED 芯片研究起步较晚，国内的主要研究机构有厦门大学物理系
22、、中科院长春物理所、中国电子科技集团公司第 13 所以及华中科技大学等几个高校、研究所开展研究工作。规模较大，实力力较强的 LED 芯片生产企业主要有：厦门三安、西安华中科技大学文华学院毕业设计（论文）3中为、香港曾明利、杭州士兰明芯、湖南华磊等。在技术上，我国 LED 产业主要在红黄光、蓝光、紫外光方面有研究成果，2001 年 4 月南昌大学成功研制出紫外发光二极管，该发光二极管光输出功率大于等于 500W。这一项目属于国际前沿的研究项目。现阶段中国 LED 产业，从事该产业的人数达 5 万多人，研究机构 20 多家，企业 4000 多家，其中上游企业 50 余家，封装企业 1000 余家，
23、下游应用企业 3000 余家。国家科技部也将“国家半导体照明工程”列入“十一五”科技发展计划。在 LED 上游外延片生产上，日本、美国、欧盟仍拥有巨大的技术优势，而中国台湾则已经成为全球重要的 LED 生产基地。国内只有研究机构或少数院校等在外延片方面进行研究，但是国内庞大的应用需求，给 LED 下游厂商带来巨大的发展机会，国内生产的如景观照明灯具、显示屏等 LED 应用产品已经出口到美国、欧盟等国家和地区。国际上由于 LED 产业起步较早，有关 LED 芯片检测分拣的设备的研究也较早。佐竹与 1996 年就发明了一种多色的分拣机光学检测仪，包括至少两种不同光谱范围的LED 材料检测，并可以通
24、过检测信号并放大后予以选择，可以算是早期的 LED 分拣检测设备。当前市面上主流的 LED 芯片检测分拣设备厂商主要有日本 OPTO System 公司、香港 ASM 公司及台湾长洛精仪公司。日本 Opto System 公司推出其系列化产品较早，但其产品较少。在红火的 LED 产业中，国内只有针对 LED 成品进行分类分拣的设备，而没有针对 LED 芯片的分拣设备。目前国外经过分拣的 LED 每只利润增加 1 分人民币，国内年生产 LED 管 200 亿只，如果有一半 LED 经过分拣，增加利润近一亿元。在国内高校，华中科技大学、浙江大学等一些国家重点院校，利用学科优势，积极开展针对LED
25、产业的研究工作。其中，浙江大学现代光学仪器国家重点实验室在 LED 光学参数测试上拥有比较丰富的经验，并逐步涉足研究 LED 单管的分拣设备，便携式 LED 单管分谱检测仪就是其中一个较为成熟的产品。它主要由可调恒流源、光学系统、探测系统、采样系统和 PC 机主控系统构成。该仪器能够快速测量 LED 单管的波长，并根据波长进行筛选分类。但是，这种 LED 单管的分拣没有实现自动化，分拣速度不高，不能够适应 LED 产业化的要求。1.3 本文主要研究内容本次毕业设计主要以高速 LED 检测设备为对象，对 LED 芯片光电参数进行检测，且实现高速检测，达到或超过国内外设备的检测速度而设计。LED
26、检测设备包括光学、机械、电控和计算机四部分，本文对其机械结构部分进行设计，包括机架、四维运动平台、上部结构、探针台四部分组成。检测机上主要完成是设计高速高精确二维移动平台，高精确旋转台，高精确升降平台，探针装置，机体结构等工作。研究其原理进行设备方案的选择，提出设计方案，选用丝杠导轨机构对 DH-LP320 型 LED 检测机的华中科技大学文华学院毕业设计（论文）4机械结构进行设计，使用 Pro/E 对设计的零件进行整机三维建模进行干涉检查。 实现以上内容要求我们熟练掌握和运用所学过的知识，对我们进一步巩固和加强专业知识和培养专业技能有很重要的实践意义。具体内容如下： 分析 LED 的发展现状和市场前景，国内外高速 LED 检测设备的研究概况； 研究 LED 芯片检测的原理、检测设备的功能需求、基本组成以及工作过程； 对 DH-LP320 型 LED 检测机的机械结构进行设计，包括对 XY 运动平台、旋转工作台、Z 向工作台、上部平台、探针台的设计，主要对关键部位高速高精度 XY运动平台的设计，分析比较选用丝杠导轨机构实现 XY 二维运动，根据使用要求对丝杆螺母、导轨、电机等进行计算与选型； 使用 Pro/E 对设计的零件进行整机三维建模进行干涉检查，检验设计结构的合理性。
