Brilho da engenharia: safira HPA como plataforma para produção de LED

A alumina de alta pureza (HPA) é um material do qual você talvez nunca tenha ouvido falar, mas é um componente importante e onipresente em nossa vida diária. É o principal ingrediente na produção de cristais de safira, que são fundamentais para os díodos emissores de luz (LEDs) – pequenas fontes de luz que iluminam tudo, desde os nossos dispositivos pessoais até às nossas cidades.

A procura de HPA está em constante aumento devido ao aumento da procura de safiras, impulsionado pela indústria LED. O valor das safiras como material para a produção de LED pode ser condensado nas seguintes quatro razões principais:

Em primeiro lugar, a safira compartilha uma dimensão de rede cristalina semelhante ao nitreto de gálio (GaN), o material primário usado na criação de LEDs azuis e brancos de alto brilho. Esta compatibilidade de rede resulta em menos defeitos estruturais, aumentando assim a eficiência da produção de LED.1

Da mesma forma, a transparência é outra característica crucial, garantindo que a luz gerada não fique obstruída na parte inferior do LED, dando à safira uma vantagem sobre o silício como substrato de LED.

Além disso, a alta condutividade térmica da safira é vital para os LEDs, que geram calor durante a operação. A dissipação de calor eficiente é necessária para evitar danos à estrutura do LED e manter sua vida útil e eficiência.

Por último, as propriedades superiores de isolamento elétrico da safira permitem isolar eficazmente as partes ativas do LED de outros componentes, reduzindo o risco de curtos-circuitos elétricos.

A jornada da alumina de alta pureza até o LED é complexa e fascinante, envolvendo uma mistura de química, engenharia e fabricação de precisão que muitas vezes ultrapassa fronteiras internacionais.

A cadeia produtiva começa com o HPA, um pó de óxido de alumínio (Al2O3) de qualidade superior, produzido com foco na pureza. 4N HPA (99,99% puro) é normalmente empregado para aplicações de LED, enquanto uma variante ainda mais pura, 5N HPA (99,999% puro), é usada para óptica.

A pureza do HPA não é apenas um número; é a pedra angular do sucesso da produção de LED. Mesmo a menor impureza pode induzir defeitos no produto final, impactando o desempenho e a eficiência dos LEDs.

A produção de LED, por exemplo, é muito sensível aos efeitos dos limites de grão de baixo ângulo (LAGBs) – pequenos grãos de cristal no wafer de safira que estão desalinhados em comparação com o volume do wafer principal. Eles reduzem a adesão e comprometem a qualidade estrutural da camada epitaxial depositada no wafer de safira, reduzindo o desempenho do dispositivo LED. A pureza do HPA tem influência direta na ocorrência de tais defeitos.

Outro factor que se está a tornar cada vez mais importante para os utilizadores de HPA é a manutenção de uma cadeia de abastecimento verde e sem emissões de carbono.

Na busca por uma alumina de alta pureza e ecologicamente correta, empresas como a Advanced Energy Minerals, com sede em Cap-Chat, Quebec, Canadá (Fig. 1), estão liderando o caminho. A empresa obtém matéria-prima exclusivamente de energia hidrelétrica e está comprometida com a produção de HPA 100% verde, alimentada exclusivamente por energia verde a partir do terceiro trimestre de 2023.

A produção de cristais de safira sintéticos, conhecidos como 'boules', a partir de pó ou monólitos de HPA é um processo complexo onde o tamanho é importante.

As bochas de safira servem como material de partida para wafers finos (250-150 µm) que mais tarde se tornam substratos de LED durante a produção. O diâmetro dos wafers de LED acabados é determinado pelo tamanho das bolas. Este diâmetro pode variar de 2” (quase obsoleto agora) a 6-8” (comum hoje) a 12” (padrão futuro).

A competição exige o cultivo de bolas maiores, o que é mais viável economicamente.

Para fins de contexto, uma bola de 90 kg que acomoda um núcleo de 8” de diâmetro, tem um diâmetro inferior de 30 cm e tem 45 cm de altura. A maior boule de safira produzida no momento em que este artigo foi escrito pesa 800 kg e mede 70-80 cm de altura. Foi fabricado na China (Fig. 2).

Cultivar essas bocha exige precisão, experiência e tempo. A safira LED é frequentemente produzida usando o método de crescimento Kyropoulos,2 que permite a produção de cristais maiores e da mais alta qualidade.