Brillo de la ingeniería: el zafiro HPA como plataforma para la producción de LED

Jan 31, 2024

La alúmina de alta pureza (HPA) es un material del que quizás no haya oído hablar, pero es un componente importante y ubicuo de nuestra vida diaria. Es el ingrediente principal en la producción de cristales de zafiro, que son fundamentales para los diodos emisores de luz (LED), pequeñas fuentes de luz que iluminan todo, desde nuestros dispositivos personales hasta nuestras ciudades.

La demanda de HPA está en constante aumento debido al aumento de la demanda de zafiros, impulsada por la industria LED. El valor de los zafiros como material para la producción de LED se puede resumir en las siguientes cuatro razones clave:

En primer lugar, el zafiro comparte una dimensión de red cristalina similar con el nitruro de galio (GaN), el material principal utilizado en la creación de LED azules y blancos de alto brillo. Esta compatibilidad reticular da como resultado menos defectos estructurales, mejorando así la eficiencia de la producción de LED.1

De manera similar, la transparencia es otra característica crucial, que garantiza que la luz generada no se enfrente a obstrucciones desde la parte inferior del LED, lo que le da al zafiro una ventaja sobre el silicio como sustrato de LED.

Además, la alta conductividad térmica del zafiro es vital para los LED, que generan calor durante el funcionamiento. Es necesaria una disipación de calor eficiente para evitar daños a la estructura del LED y mantener su vida útil y eficiencia.

Por último, las propiedades superiores de aislamiento eléctrico del zafiro le permiten aislar eficazmente las partes activas del LED de otros componentes, reduciendo el riesgo de cortocircuitos eléctricos.

El viaje desde la alúmina de alta pureza hasta un LED es complejo y fascinante, e implica una combinación de química, ingeniería y fabricación de precisión que a menudo trasciende fronteras internacionales.

La cadena de producción comienza con HPA, un polvo de óxido de aluminio (Al2O3) de calidad superior, producido centrándose en la pureza. El HPA 4N (99,99 % de pureza) se utiliza normalmente para aplicaciones LED, mientras que para la óptica se utiliza una variante aún más pura, el HPA 5N (99,999 % de pureza).

La pureza de HPA no es simplemente un número; es la piedra angular de una producción LED exitosa. Incluso la más mínima impureza puede provocar defectos en el producto final, afectando el rendimiento y la eficiencia de los LED.

La producción de LED, por ejemplo, es muy sensible a los efectos de los límites de grano de ángulo bajo (LAGB): pequeños granos de cristal en la oblea de zafiro que están desalineados en comparación con el volumen principal de la oblea. Reducen la adhesión y comprometen la calidad estructural de la capa epitaxial depositada sobre la oblea de zafiro, lo que reduce el rendimiento del dispositivo LED. La pureza del HPA influye directamente en la aparición de tales defectos.

Otro factor que se está volviendo cada vez más importante para los usuarios de HPA es mantener una cadena de suministro ecológica y sin emisiones de carbono.

En la búsqueda de una alúmina de alta pureza y respetuosa con el medio ambiente, empresas como Advanced Energy Minerals, con sede en Cap-Chat, Quebec, Canadá (Fig. 1), están liderando el camino. La empresa obtiene materia prima exclusivamente de energía hidroeléctrica y se compromete a producir HPA 100% verde, alimentada exclusivamente con energía verde a partir del tercer trimestre de 2023.

La producción de cristales de zafiro sintéticos, conocidos como "bolas", a partir de polvo o monolitos de HPA es un proceso complejo en el que el tamaño importa.

Las bolas de zafiro sirven como material de partida para finas obleas (250-150 µm) que luego se convierten en sustratos LED durante la producción. El diámetro de las obleas LED terminadas está determinado por el tamaño de las bolas. Este diámetro puede variar desde 2” (casi obsoleto ahora) hasta 6-8” (común hoy) y 12” (estándar futuro).

La competencia requiere cultivar bolas más grandes, lo que es más viable económicamente.

Para ponerlo en contexto, una bola de 90 kg que se adapta a un núcleo de 8” de diámetro, tiene un diámetro inferior de 30 cm y una altura de 45 cm. La bola de zafiro más grande producida en el momento de escribir este artículo pesa 800 kg y mide entre 70 y 80 cm de altura. Fue fabricado en China (Fig. 2).

Cultivar tales bolas exige precisión, experiencia y tiempo. El zafiro LED suele producirse mediante el método de crecimiento de Kyropoulos2, que permite producir cristales de mayor tamaño y de la más alta calidad.

El proceso comienza con una semilla de zafiro ligeramente imperfecta que entra en contacto con alúmina fundida de alta pureza a alrededor de 2050 °C (3686 °F). A medida que el cristal crece, queda rodeado por la masa fundida y continúa creciendo hasta que su superficie alcanza las paredes del crisol y se levanta para reiniciar el ciclo de crecimiento. Este método permite la cristalización a bajos gradientes de temperatura, lo que da como resultado tensiones térmicas más bajas en el cristal.

El crecimiento del zafiro requiere un operador experimentado que esté capacitado durante varios meses. Para una bola de 90 kg, el proceso dura 17 días: 8,5 días para hacer crecer el cristal y otros 8,5 días para enfriarlo, y para 800 kg es mucho más de un mes.

La sostenibilidad también es un componente clave de este proceso, ya que el horno de cultivo de cristales puede consumir 200 kW de electricidad o incluso más. El fabricante de zafiro Alox Technology, con sede en Washougal, estado de Washington, utiliza energía hidroeléctrica del cercano río Columbia para el crecimiento del cristal. Este es un ejemplo de cómo la industria LED no sólo produce productos con bajo consumo de energía sino que también promueve la sostenibilidad ambiental.

El crecimiento de una bola es simplemente el comienzo del viaje. Para las bolas de petanca de Alox Technology, este viaje va desde la costa oeste de EE. UU. hasta Riga, Letonia.

Para que la bola se convierta en un sustrato LED, primero debe transformarse en un núcleo cilíndrico o "con núcleo".

Pero antes de eso, es necesario asegurarse de que las partes del volumen de la bola que se utilizan para la producción de obleas estén libres de defectos como pequeñas burbujas, grietas e impurezas. Aquí es donde entra en juego la empresa suiza Scientific Visual, que ofrece equipos avanzados de inspección de cristales.

Los escáneres de 4 ejes totalmente automatizados de Scientific Visual inspeccionan grandes bolas de zafiro y detectan defectos internos con una precisión de hasta 8 µm. Estos escáneres pueden identificar burbujas, estructuras, nubes y otros defectos que afectan el rendimiento y codificarlos en un modelo 3D llamado gemelo digital. Este gemelo digital permite una optimización asistida por ordenador para determinar las zonas libres de defectos más adecuadas para el procesamiento (Fig. 3). Esto maximiza el rendimiento tanto en el proceso de extracción de núcleos como en el de obleas.

Por ejemplo, si hay pocos defectos en un núcleo extraído, su posicionamiento en relación con el sistema de obleas es importante. Si conoce las coordenadas exactas de los defectos, puede calcular un desplazamiento del núcleo en la máquina de obleas para colocar más defectos en los espacios de la sierra y fuera de las futuras obleas. Este enfoque de oblea consciente de los defectos, conocido como Smart Wafering, permite un aumento de hasta dos dígitos en la producción de obleas libres de defectos sin la necesidad de cultivar o comprar nuevas bolas.3 El único requisito previo para esto es un gemelo digital de alta precisión. del cristal.

Después de descorazonar, los cilindros extraídos se "obleas" en rodajas finas de entre 300 y 800 micrones de espesor, dependiendo del diámetro. El zafiro tiene una dureza justo por debajo de la del diamante, por lo que se utilizan sierras de diamante y una energía considerable para cortar y oblea. Luego, las obleas se refinan aún más mediante procesos como el esmerilado y el pulido para prepararlas para la siguiente fase de su vida en un LED.

Después del riguroso proceso de inspección y corte, la bola de zafiro se transforma en finas obleas que sirven como epitaxia del LED. Cada oblea se coloca en una cámara calentada a 900°C para hacer crecer las capas emisoras de luz, aprovechando la estabilidad del zafiro a altas temperaturas.

Las capas de LED suelen estar hechas de GaN, AlGaN e InGaN. Estos materiales tienen coeficientes de expansión térmica y resistencias químicas que deben ser muy similares a los de la oblea de zafiro. La interfaz entre el zafiro y las capas emisoras de luz es el resultado de años de investigación y desarrollo.

Después de hacer crecer las capas de LED, la oblea pasa por una serie de pasos como litografía, enmascaramiento y grabado para llevar las unidades individuales, los llamados "troqueles", al tamaño deseado, seguido de la aplicación de contactos eléctricos. Luego, los LED se cortan, empaquetan y montan directamente en una placa de circuito electrónico.

A lo largo de todo el proceso, la precisión es clave. Cada paso, desde la creación de alúmina de alta pureza hasta la producción final del LED, tiene un impacto en la calidad del producto final. A medida que avanzamos hacia la producción de dispositivos más pequeños, como los micro-LED, estos pasos deben volverse aún más precisos para adaptarse a las dimensiones miniaturizadas.

Con esa miniaturización, la industria se enfrenta a estándares más estrictos para los productos finales. Este efecto dominó en los productos finales llega a los primeros pasos de producción, como la producción de alúmina de alta pureza.

El mundo de los LED no es estático; está continuamente evolucionando y mejorando. La evolución va hacia dispositivos más pequeños y con mayor brillo.

Un pariente cercano del LED, el miniLED, se caracteriza por su menor tamaño. Un miniLED mide entre 100 y 200 micrómetros de lado,4 que, si bien es más pequeño que un LED típico, aún tiene un gran impacto en términos de brillo y eficiencia.

El futuro de la tecnología de visualización a menudo se asocia con los microLED. Aunque actualmente encuentran su lugar principalmente en pantallas de alta gama debido a sus altos costos de producción, su potencial es inmenso.

Cada subpíxel (o diodo) en una pantalla microLED se controla individualmente y emite luz sin luz de fondo, similar a una pantalla OLED.5 ​​Los tamaños de los microLED pueden variar hasta 3 µm, y un microLED típico mide alrededor de 10 µm. Para poner esto en perspectiva, un cabello humano suele tener un grosor de 70 +/- 20 µm.6

La industria LED es un campo dinámico y en rápida evolución, con nuevas tecnologías y aplicaciones que surgen regularmente. A medida que siga creciendo la demanda de fuentes de luz más eficientes, más brillantes y más pequeñas, el papel del HPA y el zafiro en la industria LED será cada vez más crítico.

En 2022, el volumen total proyectado de alúmina de alta pureza fue de aproximadamente 35 000 toneladas, de las cuales 30 000 toneladas se destinaron a la producción de LED.

De cara a 2025, se espera que la demanda de HPA aumente hasta las 58.000 toneladas, de las cuales las LED representarán unas significativas 49.000 toneladas, o un impresionante 84 % del total. Para 2028, se prevé que la demanda de LED alcance la extraordinaria cifra de 85.000 toneladas.7

En esencia, los LED han sido y seguirán siendo un mercado crucial para HPA, incluso cuando surjan nuevas aplicaciones y se expandan otros mercados.

En cuanto al zafiro, el mercado mundial de estos cristales alcanzó un valor de 903,3 millones de dólares en 2021, según el Grupo IMARC. Anticipan que esta cifra aumentará a 2.471,4 millones de dólares estadounidenses para 2027, con una tasa compuesta anual del 18,5% durante el período de 2022 a 2027.8

*Se debe contactar al autor para obtener más información, [email protected]

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