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Quel est le processus de la fabrication LED ? Pureté, variabilité

Comprendre le processus de la fabrication LED et des composants semi-conducteurs. Atmosphère, variabilité de production et méthodologies de fabrication.
11 septembre 2017





Dans l’industrie optoélectronique, tout comme dans celle du semi-conducteur, le processus de fabrication LED, comme ses composants, est effectuée dans une salle blanche. Objectif : minimiser au maximum la présence de poussière ou de particules durant la fabrication.

 

 

En effet, l’adhérence de particules microscopiques sur la surface des plaques de semi-conducteurs, entre deux étapes de fabrication, peut induire des soucis de fonctionnalité, de fiabilité ou de variabilité.

Processus de fabrication dans une salle blanche
Salle blanche de fabricant de micro-électronique avec la trame de filtres à air en plafond – Photo : Rudolf Simon, M+W Group, Wikipédia

Les opérateurs en salle blanche sont aussi obligés de porter des combinaisons intégrales ainsi que des masques afin d’éviter tout dépôt de particules organiques, tels que des cheveux, des squames de peau…

Pureté de l’atmosphère de fabrication

Comme le montre le tableau suivant, différentes classes de salles blanches aux normes ISO 14644-1 correspondent à différents besoins de pureté, selon le nombre de particules au mètre cube. Le classement va de la fabrication de technologies anciennes, en passant par les LEDs, jusqu’aux technologies les plus avancées de semi-conducteur. Le nœud technologique le plus avancé est actuellement le 14 nm.

Classement ISO en fonction du nombre de particules par mètre cube – Source : Cleanroom, Wikipédia

Pour les LEDs, malgré ces précautions, la variabilité en termes :

  • de lumen,
  • de lumen par watt,
  • de point de couleur,
  • de tension,

existe sur un même lot de production. Elle peut varier de façon non négligeable.

 

 

Processus de fabrication LED

Les raisons d’une telle variabilité sont à rechercher dans le processus de fabrication lui-même. Les LEDs sont fabriquées sur des plaques de semi-conducteur, les wafers en anglais, qui servent de substrat à la création des diodes.

Plaque de silicium polie Wafer – Photo : Selber Erstellt, Hebbe, Wikipédia

Durant le processus de fabrication, une plaque passera par une série de machines. On distingue en particuliers :

  • Les machines de polissage – CMP tools : Chemical Mechanical Polishing – servant à polir la surface de la plaque entre deux étapes clés de fabrication.
  • Les réacteurs de croissance cristalline, autrement appelée épitaxie – MOCVD reactors.
  • Les machines à cycle de chauffage, dit de recuit, permettant de moduler le degré de recristallisation des matériaux après croissance – Annealing tools.

Variabilité de production des plaques LED

On distingue deux types de variabilité des LEDs dans le processus de fabrication :

  • de plaque à plaque
  • sur une même plaque, donc de LED à LED.

Variabilité de plaque à plaque

Dans la chaîne de production, pour un modèle de LED donné, il se verra attribuer une référence de série de chacune des machines. Ceci afin d’optimiser le flux de production en fonction des besoins de volume pour chaque modèle de LED. Mais la marque, le modèle ou la génération de la machine ainsi que son réglage – machines de haute précision ! – peut varier dans cette série attribuée à cette LED. Ce qui fait qu’une plaque peut potentiellement être soumise à un environnement de production différent de la suivante.

Pour pallier à ce problème, il est nécessaire de pouvoir stocker les informations de métrologie de toute la production et de faire une analyse statistique de ces données permettant d’identifier les machines donnant des performances différentes du reste et de pouvoir les inhiber afin de les faire passer en maintenance.

Variabilité de LED à LED

En bout de chaîne de production, une plaque est découpée en petits carrés de puce LED, dicing en anglais. Voici nos LEDs ! Mais il faut savoir que précédemment, durant les phases de polissage, de croissance cristalline ainsi que de recuit, il y aura toujours une distribution radiale – du centre vers l’extérieur du wafer – de l’efficacité du polissage, de la composition et de l’épaisseur de la phase cristalline ainsi que de la température de recuit. Ces différences, aussi faibles soient-elles, sont suffisantes pour induire une distribution des performances des LEDs issues d’une même plaque.

Plan d’une plaque Wafer montrant le découpage des puces LED – Dessin : Moxfyre, Wikipédia

Une analyse statistique sur un grand nombre de plaques permet de mettre en évidence ces distributions radiales au niveau des mesures de flux ou de point de couleur. Des techniques de compensation en fonction de la région du wafer – centre, milieu, périphérie – par exemple, en température pour les recuits, permettent de réduire ce type de variabilité.

Les deux types de variabilités vus ci-dessus forcent, quoi qu’il en soit, les fabricants de LEDs à procéder à un tri des LEDs en sortie d’usine, en fonction de leur performance. Ainsi, il leur permet de satisfaire les différents besoins de leurs clients mais aussi de vendre les meilleurs LEDs à des prix plus élevés. Nous appelons ce type de procédé le binning, qui sera le sujet d’un prochain article.

 

 

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Sujets Atmosphère Production Technologie éclairage Lumière Éclairage Source lumineuse
Techniques d'éclairage Éclairage LED
Professions Fabricant éclairage
Supports Dessin
Fonction du lieu Industrie
Source Thomas Mérelle
Thèmes Technologie LED Articles Technique Science Électronique
Consultant chez Pi Lighting dans le domaine de la LED et de son utilisation dans des applications high-tech depuis 2015. Docteur en Physique du semi-conducteur ayant travaillé pour cette industrie en France, en Belgique et en Allemagne durant 13 ans. Mes centres d'intérêt sont l'innovation technologique et ses applications concrètes, la géopolitique et les voyages.
    • Bonjour Benjamin,

      Tout comme celui du semiconducteur classique, le secteur productif de la LED est aujourd’hui très morcelé et mondialisé.
      On distingue les LEDs elle-même et les produits LEDs (Luminaires, Ampoules) qui demandent des PCB, des drivers, des radiateurs pour la dissipation thermique ainsi que des optiques dédiées.

      1-La majorité des sites de fabrication de semiconducteurs LEDs se trouve aujourd’hui en Asie (à commencer par la Chine et Taiwan), et dans une moindre mesure aux Etats-Unis.
      Parmi les grands fabricants de LEDs grand public, destinées au marché de l’éclairage seul OSRAM fabrique en grand volume en Europe, dans leur usine de Regensburg en Allemagne.
      En France Aledia, en région Grenobloise produit des LEDs d’un type particuliers: des « nanowires », pour des applications de type display.
      Sur des LEDs destinées à des produits bien spécifiques pour lequels l’entreprise ajoute de l’intelligence hardware, on notera également Plessey semiconductors, entreprise Anglaise.
      LumiLEDs, (ex-Philips Lighting côté LED manufacturing) produit des phosphores en Europe mais la partie LED est fabriquées en Asie et aux Etats-Unis.

      2-Côté produits (assemblage de luminaires et ampoules) bien plus d’acteurs produisent en Europe.
      Signify un des deux leaders mondiaux est une entreprise Néerlandaise (ex-Philips Lighting côté produits d’éclairage).
      Ils produisent une partie de leurs ampoules et luminaires en Europe (Notamment en France, Espagne, dans les pays de l’Est). Comme la grande majorité des assembleurs de produits, ils achètent leurs composants aux fabricants de LEDs partout dans le monde.
      Mais il y aussi beaucoup de petites et moyennes entreprises actives en Europe côté produits !
      Je peux vous citer quelques exemples tels que Zumtobel (Autriche), Regent (Suisse), Lightz (Suisse), Sylvania (Belgique/UK), Novaday (FR), Bartenbach (Autriche) mais la liste est longue et en constante évolution !

      En espérant avoir répondu à votre question,

      Thomas Mérelle

  • Bonjour

    Existe-t-il une différence significative de coût de fabrication entre une ampoule Led à « lumière froide » (4000 K° et au delà) et une ampoule LED à « Lumière chaude » (2700 K°)

    Merci d’avance

    • Bonjour,

      Au premier ordre je dirais que non. Afin d’obtenir une lumière blanche, un LED bleue est recouverte d’un phosphore qui va absorber des photons bleus et les réémettre à une énergie inférieure, donc à une plus grande longueur d’onde. Le YAG est préférentiellement utilisé pour les blancs froids là où le LuAG est utilisé en complément de phosphore rouge pour les blanc chauds et les forts indices de rendu de couleur (CRI). Le cout intrinsèque de fabrication du LuAG est plus élevé (coût des matières premières plus important et proceed de fabrication plus complexe) que celui des YAG don’t la fabrication est bien maîtrisée. Le choix de la technique de dépôt est aussi important à prendre en consideration. Mais ramené au coût total de fabrication (très bas de nos jours) d’une LED je pense que la différence en coût de fabrication est relativement négligeable.

      En espérant avoir répondu à votre question.

  • Bonjour ,
    j’au un exposé de fin d etudes sur le process de fabrication des ampoules Led , je trouve vraiment une difficulté a trouver l’integralité des information relatives a cela sur internat , pouvez vous m’aider s’il vous plait ?
    Merci beaucoup d’avance

  • Je souhaite monter une unité de production d’ampoule Led. J’aimerais avoir des informations sur les entreprises françaises ou belges qui peuvent m’aider.

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