嵌入式系統在LED自動化設備的應用

旺矽科技股份有限公司海外行銷副總 劉永欽

自從藍光LED突破量產技術之後，LED快速的從電視╱顯示器、汽車電子、行動裝置、筆電、號誌等應用快速滲透，更企圖要終結百年來愛迪生鎢絲燈泡的王朝；隨著LED磊晶單價的快速下滑與生產量的提昇，廠商更倚重能夠做快速生產、分選與封裝的LED生產自動化設備機台，而嵌入式系統能夠在自動化機台的即時處理、分散式模組擴充性、多工同軸做動與通訊的應用上，提供自動化功能，協助廠商打造低成本、高品質的生產線。

LED製程與所需自動化設備的需求

旺矽科技(MPI)海外行銷副總劉永欽指出，在整個LED產業鏈，跟現有的半導體製造流程類似，但更為簡單。以LED燈泡為例，可以分為：Step0. 磊晶與晶片(EPI & Chip)；Step1. 封裝(Package)；Step2. 基板封裝(Package On Board)；Step3. 安裝燈具╱驅動源(Light Engine/Source)；Step4. 安裝夾具(Fixture)；Step5. 品牌通路行銷(Channel Brand)。他提到LED不同應用，對於磊晶規格的需求也有所不同。

在Mobile行動裝置上，要求小晶粒、發光效率，而動態對比部份要求到高亮度；在電視裝置上，動態對比要求高亮度，畫質與節能部份則要求發光效率，若需薄型化則更要求晶粒尺寸。大尺寸面板要求亮度波長、嚴格分選；最後在Lightning照明上，高亮度部份要求大晶粒、演色性、發光角度、正確色溫，若是強調發光均勻性，則還需借助COB(Chip On Board)製程。LED燈泡╱燈具內的磊晶壽命很長，但Inverter與交流轉直流變壓器元件壽命通常比較短。

整個LED製程可區分為：1.矽晶圓基板(Substrate)。2.磊晶(Epitaxy)。3.晶片製作(Chip Process)。4.矽晶片探測(Wafer/Chip Probing)。5.視覺檢測(Vision Inspection)。6.晶片篩選(Chip Sorting)與7.最後封裝(Package)。他指出在Wafer/Chip Probing這一部份，傳統半導體製程，可以將矽晶圓片套在矽晶圓片測試置具上片一次測試完畢；但LED磊晶片由於要測試光源色溫，只能一顆一顆磊晶去做測試、分選。

因此旺矽科技(MPI)在Chip Process這部份有T200 電性╱光學測試機，在Wafer/Chip Probing這部份有P8000全自動化探針測試機，在Vision Inspection部份有A2000全功能自動化LED AOI機台，Chip Sorting部份有M76FD半自動篩選機，以及最後封裝階段的TL-530全自動封裝機台。這些機台都需要許多嵌入式系統在裡面。

嵌入式系統在自動化設備的角色

對自動化設備製造商而言，自動化設備的挑戰在於：1. Compact Design更壓縮緊密的設計：需要更小的控制器、更小的控制元件、分散式控制模組。2. 穩定的系統：需要封閉式作業環境、有限的控制權限、可直接斷電關機、病毒防制。3. 複合式功能：提供更多的附加功能、智慧型操作設計、模組化設計。4. 快速的生產效率：高速高精度、更快的反應時間、多工多軸同動。

劉永欽指出，嵌入式系統的導入，可以幫助自動化設備機台達到即時(Realtime)、分散、多工與通訊四大要求。在即時處理部份，要求到高速高精度、更快的反應時間、以及兼顧多工多軸同動的需求。在分散部份，封閉式作業環境、有限的控制權限、可直接斷電關機、病毒防制、分散式控制模組、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、智慧型操作設計、模組化設計達成。通訊部份則以分散式控制模組與模組化設計來建構機台通訊的功能。

劉永欽舉出，在Real Time技術的實際應用中，像是能千分之一秒(millisecond)內即刻反應的Edge Sensor保護機制，可以避免機台探針彎曲或晶圓破裂。分散技術應用實例中，則是設計一個樣樣功能通包的設備機台，成本過於高昂，且操作與維護的人力成本也不划算，不如在機台設計初期，就預留一些附加設備模組化的機制，可以供用戶另外去市場添購。該公司的點測機台就是這種可分散選購、擴充的模組化設計。

過去Vision Inspection設備機台，本身會有一個光學的顯微鏡模組(Microscope)，藉由光纖連接到外接的頻譜分析模組(Spectrum)，這種分離式外接模組的設計，裸露在外的光纖連接線，常造成機台維修人員的困擾。他提到另一個旺矽科技的專利–直接把頻譜模組跟顯微鏡直接整合於機台，以積分球面鏡集光，並且加入嵌入式系統來計算後，以USB介面直接傳輸到頻譜模組。這種整合式設計，較傳統顯微鏡跟頻譜模組藉由光纖連接的分離式設計，整個視覺觀察機台顯得更小巧也更方便可靠。

通訊技術的應用中，像自動化機台的PLC模組，可以透過有線甚至無線WiFi網路連接到中控終端器，能夠將最前端的生產管理的狀態，即時回傳到中控台、總經理室甚至是客戶端的電腦。

多工技術應用實例上，劉永欽以一個LED磊晶生產線設置為例。從置盤搬送機(Bin Cassette)、運送未分選磊晶圓到緩衝站(Buffer station)，由搬移臂(Transfer Arm)夾取未分選磊晶圓到分選環形桌機台(Ring Table)進行分選，分選後的磊晶會透過取置機(Pick & Place Module)放到置盤上，等置盤放滿磊晶片後，藉由載盤機(Loader)放回置盤搬送機。他們在置盤機導入Windows CE嵌入式系統，能在整個多工多軸的運行過程中，依照每一個機台啟動時間與最小間隔來做調校，排出最緊密且有效率的產能輸出。

LED 市場及應用分類

劉永欽指出，LED已經有幾十年歷史，但是在十幾年前，由LED尊稱為「藍光之父」的中村修二先生，以藍寶石基材突破了過去藍光LED難以量產的技術桎梏，拼湊出LED在各種可見光的照明應用。十年前300μm的LED磊晶單顆1美元，如今相同LED磊晶一顆大約新台幣1元。LED材料售價的慘烈下滑，帶動的各行業LED照明應用的普及。目前LED市場及應用的五大區塊，包括大家熟悉的電視與顯示器(TV&Monitor)、汽車電子(Auto Motive)、行動裝置與筆電(Mobile&NB)、號誌(Sign)、照明(Lightning)等。

在電視與顯示器部份，數年前SONY率先以直下式LED背光源設計出LED電視，採R、G、B三原色LED磊晶，成本太過昂貴；三星則改採螢幕兩邊或三邊的側光式LED背光源設計，打造出低成本、薄邊框的LED背光源電視，也使得LED電視滲透率提昇，2009年之後成為市場主流。依2011年Strategies Unlimited所做的市調，在TV&Monitor這部份LED封裝品市場營收達26億美元。

在汽車電子(Auto Motive)這部份，從早期車頭燈、Taillight車尾燈，到後期Interior Light內部照明及儀表板的LED應用。未來可能如電影情節一般，以透明式顯示幕(OLED)的姿態，將GPS導航資訊直接在擋風玻璃上顯示。2011年在這部份的LED封裝品市場營收約6.32億美元。

至於行動裝置與筆電(Mobile & NB)，涵蓋筆電、平板、智慧手機等的LED顯示應用，2011年在筆電、平板的LED封裝品市場營收9.63億美元。智慧手機的LED封裝品營收更達17億美元。而號誌顯示(Sign)應用，像是戶外大型LED顯示看板，大型歌劇廳內的LED裝飾燈光的應用，2011年在這部份LED封裝品營收達15億美元。

LED最被看好也是最大宗應用市場的Lightning照明，像是Architectural建築設計、戶外照明等，據Strategies Unlimited市調結果，2011年LED封裝品市場值達到21億美元，到2016年可達33億美元，LED照明應用在這幾年將會呈現幾何級數函數曲線的成長趨勢。至於其他的LED應用，像是交通燈號、小鋼珠、微投影機、農業值栽照明、鮭魚成長，以及像美容醫療上的應用等等。

劉永欽最後總結，嵌入式系統應用在自動化設備的未來趨勢，在於：
1.更快的生產效率：速度與精度同步提升、通訊時間減少、快速且準確的同步控制。
2.提供更多的附加功能：硬體預留可擴充性、韌體更新功能。
3.更穩定的系統：封閉的作業系統、細分權限與操作功能、病毒防制與防呆保護。
4.趨向Compact緊密設計取向：控制元件微型化、功能模組化，有助於打造體積更小的自動化機台。