11月快訊-4:為台灣加油打氣專欄(37)震動極小的LED檢測機/李家同(作者為本會理事長)
張貼日期：2015/11/17 上午 12:46:24
LED是大家都知道的玩意兒，現在的燈泡很多都是用LED做的。很多半導體也是LED產物，因此很像IC有一個晶圓。半導體的晶圓和IC晶圓是差不多的，只是小一點，如圖一。
圖一
晶圓當然都是圓的，晶圓裡面有很多小的LED，每一個都要經過檢查。檢查的時候我們要用一根探針，探針可以查出某一個LED夠不夠亮，也要同時檢查很多其他的特性。我們的晶圓是放在一個基座上，基座會移動，移動以後探針會降下來，很快地又收回去，等待基座再移動，探針會再降下來，如圖二所示。
圖二
我們可以說整個機器的大致動作如下:
基座移動，使探針在某一個LED的上面，然後停止。
基座停止以後，探針降下。
探針完成工作以後，基座再移動。
基座移動的速度是高達150米/秒，可是從移動到停止的時間又非常之短，只有0.065秒。可以想見的是，這個基座一下被加速，很快地又被減速，免不了有一些震動，就像我們開車的時候緊急剎車一樣。所以雖然我們說基座是停下來了，它總是有一點前後的移動。在這一段移動的時間內，探針仍然是接觸到晶圓的，所以探針就會感覺到一些摩擦力，也就是說，探針會有一點磨損，時間長了以後，這根探針就會被損壞了。所以對於這種檢驗設備的工程師來講，他們要完成的LED檢驗器，不僅僅在賣給客戶的時候會有良好的表現，而且要保證客戶使用了多年以後，這個檢驗器仍然沒有問題。
任何一個機械都有一個自然震盪頻率，一個機械總是有能力儲存一些能量，比方說，我們小時候玩的盪鞦韆就是一個很好的例子。小孩子坐在鞦韆上，大人在後面推他一把，鞦韆就往上盪上去，我們可以說鞦韆儲存了一些能量，這個能量使得它會左右搖擺，當然因為空氣還是有些阻力，所以這個搖擺最後還是會停下來的。但是有非常特殊的情況，當這個孩子玩得正高興的時候，他的爸爸在這個情況下推了他一把，這一下可能使這個孩子嚇壞了，因為鞦韆會盪得非常之高，完全出乎這個孩子所料，當然我相信這個爸爸也會嚇壞了。為什麼會發生這種事呢?因為鞦韆有一個自然震盪頻率，如果鞦韆震盪在這個頻率的時候，這個好心的爸爸又對它輕輕地碰了一下，這個鞦韆就會大為興奮。在別的震盪頻率之下，這個爸爸輕輕推一下是沒有關係的。
1940年美國華盛頓州有一座Tacoma Narrows Bridge忽然斷裂，這是因為當時有一陣風吹過，而這陣風的頻率就是這座橋的自然震盪頻率，所以這座橋就真的震盪起來，造成一個令當時人不解的悲劇。
還有一個現象也是很有趣的，那就是有一種歌手，當他用某一種高音唱歌的時候，可以將香檳杯震破，這也是因為這個歌手的頻率是香檳杯的自然震盪頻率。
要設計一個不太震動的LED檢驗器，工程師的第一個工作就是要決定這個儀器的自然震盪頻率，這不是完全靠經驗的，必須要靠很多的數學分析以及實際的物理實驗。然後工程師要巧妙地修改設計，使得這個自然震盪頻率愈高愈好。因為任何一個物體都有慣性，一下加速，立刻減速，震動總是會有一點的，可是好的設計就是要使這個因慣性而引起的震盪頻率與自然震盪頻率相差非常之遠，機械就會很穩定了。我們年紀大一點的人都會記得當年的汽車不論在停下以後或者剛啟動的時候，車子都在震動。現在即使不昂貴的汽車，靜止的時候就幾乎沒有什麼震動。這就是工程師的厲害之處，他們的設計會使得自然震盪頻率相當之高，如此一來，問題就被解決了。
我們國家現在的LED檢驗器是做得相當不錯的，晶圓的基座可以非常快速的移動，然後立刻停止，而沒有震動乃是一件不容易的事。我們國家過去的機械業沒有這麼多有過嚴格訓練的工程師，所以無法做出這一類的精密機械。現在我們的工程師在設計機械的時候不是完全靠直覺，他們都有很好的學識，知道如何做數學上的分析，也會做各種的實驗，當然也會做各種的模擬，使得這個機械在製造以前，就已經有把握會將震動降到最低，這樣的儀器才可以賣得掉。
我仍然要說，我們國家在往好的方向走。
李家同
清華大學、靜宜大學、暨南大學榮譽教授
博幼社會福利基金會董事長
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(300)新竹市光復路清華大學資訊工程系
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