中国汽车照明光源技术现状与发展趋势

  芯片级LED性能研究

  汽车照明背景

  LED产业在过去近10年的发展突飞猛进,LED光源器件的性能呈台阶式上升且成本在不断下降,大部分光源领域基本上都被LED所取代。LED作为第四代光源,已经广泛应用在户内外照明、液晶背光、景观照明、移动照明等领域。随着人们消费理念的升级和近几年LED行业新技术与新材料的不断完善,LED汽车照明也逐渐迎来最佳发展期,从最先的内饰照明到后来的外部信号灯,再到最近这两年的前照明灯具,LED已经开始逐步取代传统的氙灯,开始覆盖中高端汽车照明市场,同时有向普通车型漫延的趋势。

  汽车市场是个成熟的市场,全球的销量总体来说是稳步的增长,全球年增长约3-4%,全球年销量约8000万辆。汽车照明 LED的主要应用市场是取代传统的氙气灯,乃至卤素灯。由于传统的氙气灯亮度低、光效低、启动时间长,而LED体积小、亮度高、光效高、易于配光且成本在慢慢降低,使得氙气灯在这几年被LED加速取代。

  据相关机构研究数据显示,2017年中国汽车照明行业用 LED 封装市场规模已达7.4亿美元,同比增长速率已超过 17%。受惠于LED渗透率持续攀升,预计2018年中国汽车照明用LED封装市场规模将达9.2亿美元。借此东风,不少中国本土厂商着力布局汽车照明供应链,尤其是前装市场 (OE-original Equipment)的布局,这将力改过去国内LED汽车照明市场被国际巨头长年垄断的不利局面。在此背景下,国内不少企业纷纷涌入LED汽车照明市场。

  目前车规级LED厂商的整体现状

  由于汽车照明的高性能,高可靠性要求,以及汽车行业的相对封闭性等情况,现阶段 Lumileds与osram占有前大灯市场80%以上;三星的主要市场在韩国,占10%;其余市场为日亚与台湾厂家瓜分;国内厂家近年来逐步推出相关产品,试图进入该市场。

  概述目前车规级LED厂商推出的各产品现状

  因汽车大灯对技术、可靠性及使用的环境要求非常高, 因此在设计产品时需要注重以下内容:

  单颗芯片的大小一般为38~40mil,驱动电流1A到1.2A,预计可增大至60mil,以便通更大的电流。

  前大灯普遍为1~6晶车灯,单个LED光通量一般为1000~1600lm,未来目标光通量为 2000lm。

  芯片的固晶方式,都为共晶,增大芯片与底板的接触面,减小热阻,X-ray全检虚焊空洞率。

  由于发热大,产品的芯片贴陶瓷荧光膜片,以防温度过高,膜片移动或是损坏。

  LED车灯的基板为陶瓷氮化铝基板,散热效果好,基板金属部分镀金,基板稳定性能好。

  光源芯片之间间距小,采用耐高温荧光片及高反射白色复合材料,单面出光。易于配光,明暗截止线清晰,无暗区,照度高。特殊的高电流密度、高光密度外延结构和芯片结构设计。齐纳二极管保护,静电防护10KV。采用耐高温荧光片及白色复合材料。

  基板采用Laser Mark识别,可追踪每一颗芯片、荧光片、机台等重点信息。

  产品可靠性满足AEc-Q101要求。

  

图 2.1 从左到右:国内某厂产品,X-Ray 检验,Laser Mark 识别

  

图 2.2 LED封装器件中ESD保护

  


  从欧司朗、亮锐、日亚、三星及晶能光电这些产品的光电性能来看,在同一条件下,产品基本上差别不大。但是欧司朗、亮锐产品发光中心一致性好,要求荧光片位偏小,而日亚采用的是长条形的荧光片,这样的好处是无暗区,明暗截止线好。而国内厂家在这方面要稍差点,另在同等尺寸芯片下,亮度要比外国差 5~8%,所以国内厂家会通过增大尺寸来提高产品亮度,但是增大尺寸又会造成远光照度不够等问题。

  任何一个车规级LED制造厂商,产品都要有非常严格的可靠性验证,尤其是供给前装车灯厂,产品必须要过车规级可靠性验证-AEc-Q101, 产品可靠性验证项目如下:

  


  车规级LED器件厂商的发展趋势预测

  1、后装市场所用的LED灯逐步开始沿着前装车灯的设计去开发。

  2、世界一流的LED厂家开始采用中小功率的CSP组成模组的形式去实现智能化前照灯,未来智能大灯的实现需要每个芯片的可以单独控制亮灭以实现不同路况环境下的不同需求。

  3、一流厂商也开始从制造LED光源迈入开发一体化模组、透镜及整套灯具。

  4、一些高端市场的车将开始采用激光大灯来替代LED灯。

  激光大灯有几项非常好的优点:

  A、激光是一种相干光源、一种波长、单色光源,这样使照度更强,亮度更高。

  B、激光相位差不变,因此光束发散度极小,因此光型更能好控制,更合适车规的要求。

  C、由于产生激光的激光二极管体积非常小,非常省电,所以避免了因LED大规模阵列式布置在灯具里,这样可以使设计师们更加自由的设计灯具。

  D、激光车灯的光线不是直接射出来的,而是经过光学系统变换后才应用到车灯上来的,这样保证不会对人、动物灯造成伤害,满足法规要求。

  激光光源及像素/矩阵级光束照明研究

  智能大灯发展趋势根据不同路况改变光型的大灯概念早在1958年已被首次提出,但在以卤素灯为主要大灯光源的年代自然是难以实现。而随着汽车灯具技术的不断进步,由其是LED光源的普及,以及传感器和算法处理领域的大量技术革新,目前较先进的大灯系统已实现根据各种复杂的路面环境进行多样化光型调节的功能,执行如多道路模式切换、智能随动转向、自动识别对向来车的无眩光远光、路标识别、行人警示等智能照明动作。此类功能既对行驶安全有帮助, 也能直观地提升车辆的科技感,市场前景广阔。

  

图 2.3 ADB (Adaptive Driving Beam)的市场份额趋势评估

  光源技术路线分析

  LED矩阵式

  基于LED小体积、易驱动、快速响应等特性,使用多颗LED进行行、列或矩阵式排列是实现入门级多像素智能大灯最直接的方案。与普通LED大灯相比,LED矩阵式大灯需要更多路的驱动,更大的散热能力,以及给每颗LED配光成为独立像素的二次光学系统。

  相关技术也相对较成熟,开发的不确定性较低,周期相对较短。由于LED封装尺寸的限制,最终的像素数量级能到百位级已经基本上是极限。

  

图 2.4 LED 矩阵式智能大灯示例 (来源 : HELLA官网)

  LCD式

  随着像素数量的提高,智能大灯的照明功能已逐渐兼具显示功能。LCD(Liquid crystal Display,液晶显示技术) 作为目前主流的显示技术自然而然地成为了智能大灯光源系统的一个选择。

  目前的LCD式大灯的像素数量级已经能做到万级,LCD式具有成本相对较低,体积相对较小,光型可拉伸角度较宽,明暗对比度较高等优势。

  其主要限制在于,由于偏光片及液晶面板的损耗,光学效率相对较低,而且从原理上来说改善空间有限。

  

图 2.5 LCD式智能大灯示例 (图片来源 : HELLA官网)

  DLP式

  与发展LCD式智能大灯的原因类似,作为目前投影设备主流技术的基于DMD器件(Digital Micromirror Device, 数字微镜元件)的DLP技术 (Digital Light Processing, 数字光处理 ) 自然也成为了多像素智能大灯光源系统的可选技术路线。

  光源方面,与目前的投影技术类似,LED 和激光 (Laser)均可作为DLP系统的光源。LED+DMD的优势在于技术比较成熟,亮度、效率等各主要参数也足够好。激光 + DMD 的优势在于,得益于激光的强方向性。目前的首款DLP式智能大灯已突破百万级的像素,遥遥领先于其他技术,而且将来还有进一步上升的空间。

  μAFs 式

  μAFs 是业内对可寻址像素矩阵式 LED(Addressable LED Pixel Array)的简称,是一种专门针对多像素智能大灯系统开发的LED技术。在过去传统的LED工艺里,每个芯片只有单个正极和单个负极(多芯片LED仅是把多个独立的LED芯片整合到一个LED封装),外部驱动提供电能后,整片芯片同时点亮。而μAFs则是预先在芯片的硅衬底中整合了矩阵式的 cMos 控制电路,结合同样经矩阵式微结构处理的芯片,实现了对芯片上每一个独立的微结 构区域进行单独的开、关及电流调节的功能,使每一个微结构区域直接成为了大灯光型中可独立控制的像素。

  得益于无需额外增加像素形成系统的特性,μAFs的主要优势便体现在较低的系统成本,较小的系统体积,以及相当高的效率。

  

图 2.7 μAFS 式智能大灯示例 (图片来源 : OSRAM)

  几种技术路线的主要参数对比:

  


  

激光扫描式

  激光扫描式投影技术已在消费及工业领域开始应用,理论上存在拓展到车载领域,特别是智能大灯系统上应用的可能性,已有厂家提出相关概念并进行可行性研究。其基本原理为利用基于 MEMs 技术(Micro-Electro-Mechanical system, 微机电系统)所制成的高精度扫描镜周期性地在不同角度上依次反射激光光路,在投射面上形成远高于人眼反应速率的快速刷新图像。

  

图 2.9激光扫式投影技术示意(图片来源 : BOSCH 官网)

  总结及展望

  除去技术目前尚未成熟的激光扫描式大灯,对于技术相对接近并各有所长的LED+LcD, LED+ DMD, Laser + DMD及μAFs四种高像素技术,外加入门级的低像素LED矩阵进行主要参数的宏观对比,可得对比图如下:

  

图 2.10 各技术综合对比

  可见,LED+LCD总的来说是除了效率瓶颈外各方面比较均衡的技术;LED/LAsER+DMD 在像素数量上一枝独秀;而μAFs在效率、对比度、工作温度范围等方面均有相当优势,像素数量却比不上前二者。

  值得指出的是,这几项技术相互间虽有一定的竞争性,但更存在着各取所长的有机结合空间。 例如下图图八所示:

  

图 2.11 几种技术的有机结合

  可见,作为未来汽车照明发展方向的多像素智能大灯系统,具有广阔的市场前景,丰富的技术 储备,以及无限的创新空间,值得面向未来的汽车主机厂和灯具厂提前投入和布局。

  素材来源:欧司朗光电半导体(中国)有限公司,晶能光电(江西)有限公司


来源:阿拉丁照明网

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