林燕丹
復旦大學電光源研究所副所長、
中國國際汽車照明論壇組委會首席執(zhí)行人
《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調研白皮書》汽車照明 總顧問
芯片級LED性能研究
汽車照明背景
LED產(chǎn)業(yè)在過去近10年的發(fā)展突飛猛進，LED光源器件的性能呈臺階式上升且成本在不斷下降，大部分光源領域基本上都被LED所取代。LED作為第四代光源，已經(jīng)廣泛應用在戶內外照明、液晶背光、景觀照明、移動照明等領域。隨著人們消費理念的升級和近幾年LED行業(yè)新技術與新材料的不斷完善，LED汽車照明也逐漸迎來最佳發(fā)展期，從最先的內飾照明到后來的外部信號燈，再到最近這兩年的前照明燈具，LED已經(jīng)開始逐步取代傳統(tǒng)的氙燈，開始覆蓋中高端汽車照明市場，同時有向普通車型漫延的趨勢。
汽車市場是個成熟的市場，全球的銷量總體來說是穩(wěn)步的增長，全球年增長約3-4%，全球年銷量約8000萬輛。汽車照明 LED的主要應用市場是取代傳統(tǒng)的氙氣燈，乃至鹵素燈。由于傳統(tǒng)的氙氣燈亮度低、光效低、啟動時間長，而LED體積小、亮度高、光效高、易于配光且成本在慢慢降低，使得氙氣燈在這幾年被LED加速取代。
據(jù)相關機構研究數(shù)據(jù)顯示，2017年中國汽車照明行業(yè)用 LED 封裝市場規(guī)模已達7.4億美元，同比增長速率已超過 17%。受惠于LED滲透率持續(xù)攀升，預計2018年中國汽車照明用LED封裝市場規(guī)模將達9.2億美元。借此東風，不少中國本土廠商著力布局汽車照明供應鏈，尤其是前裝市場 (OE-original Equipment)的布局，這將力改過去國內LED汽車照明市場被國際巨頭長年壟斷的不利局面。在此背景下，國內不少企業(yè)紛紛涌入LED汽車照明市場。
目前車規(guī)級LED廠商的整體現(xiàn)狀
由于汽車照明的高性能，高可靠性要求，以及汽車行業(yè)的相對封閉性等情況，現(xiàn)階段 Lumileds與osram占有前大燈市場80%以上;三星的主要市場在韓國，占10%;其余市場為日亞與臺灣廠家瓜分;國內廠家近年來逐步推出相關產(chǎn)品，試圖進入該市場。
概述目前車規(guī)級LED廠商推出的各產(chǎn)品現(xiàn)狀
因汽車大燈對技術、可靠性及使用的環(huán)境要求非常高， 因此在設計產(chǎn)品時需要注重以下內容:
單顆芯片的大小一般為38~40mil，驅動電流1A到1.2A，預計可增大至60mil，以便通更大的電流。
前大燈普遍為1~6晶車燈，單個LED光通量一般為1000~1600lm，未來目標光通量為 2000lm。
芯片的固晶方式，都為共晶，增大芯片與底板的接觸面，減小熱阻，X-ray全檢虛焊空洞率。
由于發(fā)熱大，產(chǎn)品的芯片貼陶瓷熒光膜片，以防溫度過高，膜片移動或是損壞。
LED車燈的基板為陶瓷氮化鋁基板，散熱效果好，基板金屬部分鍍金，基板穩(wěn)定性能好。
光源芯片之間間距小，采用耐高溫熒光片及高反射白色復合材料，單面出光。易于配光，明暗截止線清晰，無暗區(qū)，照度高。特殊的高電流密度、高光密度外延結構和芯片結構設計。齊納二極管保護，靜電防護10KV。采用耐高溫熒光片及白色復合材料。
基板采用Laser Mark識別，可追蹤每一顆芯片、熒光片、機臺等重點信息。
產(chǎn)品可靠性滿足AEc-Q101要求。
圖 2.1 從左到右:國內某廠產(chǎn)品，X-Ray 檢驗，Laser Mark 識別
圖 2.2 LED封裝器件中ESD保護
從歐司朗、亮銳、日亞、三星及晶能光電這些產(chǎn)品的光電性能來看，在同一條件下，產(chǎn)品基本上差別不大。但是歐司朗、亮銳產(chǎn)品發(fā)光中心一致性好，要求熒光片位偏小，而日亞采用的是長條形的熒光片，這樣的好處是無暗區(qū)，明暗截止線好。而國內廠家在這方面要稍差點，另在同等尺寸芯片下，亮度要比外國差 5~8%，所以國內廠家會通過增大尺寸來提高產(chǎn)品亮度，但是增大尺寸又會造成遠光照度不夠等問題。
任何一個車規(guī)級LED制造廠商，產(chǎn)品都要有非常嚴格的可靠性驗證，尤其是供給前裝車燈廠，產(chǎn)品必須要過車規(guī)級可靠性驗證-AEc-Q101, 產(chǎn)品可靠性驗證項目如下:
車規(guī)級LED器件廠商的發(fā)展趨勢預測
1、后裝市場所用的LED燈逐步開始沿著前裝車燈的設計去開發(fā)。
2、世界一流的LED廠家開始采用中小功率的CSP組成模組的形式去實現(xiàn)智能化前照燈，未來智能大燈的實現(xiàn)需要每個芯片的可以單獨控制亮滅以實現(xiàn)不同路況環(huán)境下的不同需求。
3、一流廠商也開始從制造LED光源邁入開發(fā)一體化模組、透鏡及整套燈具。
4、一些高端市場的車將開始采用激光大燈來替代LED燈。
激光大燈有幾項非常好的優(yōu)點:
A、激光是一種相干光源、一種波長、單色光源，這樣使照度更強，亮度更高。
B、激光相位差不變，因此光束發(fā)散度極小，因此光型更能好控制，更合適車規(guī)的要求。
C、由于產(chǎn)生激光的激光二極管體積非常小，非常省電，所以避免了因LED大規(guī)模陣列式布置在燈具里，這樣可以使設計師們更加自由的設計燈具。
D、激光車燈的光線不是直接射出來的，而是經(jīng)過光學系統(tǒng)變換后才應用到車燈上來的，這樣保證不會對人、動物燈造成傷害，滿足法規(guī)要求。
激光光源及像素/矩陣級光束照明研究
智能大燈發(fā)展趨勢根據(jù)不同路況改變光型的大燈概念早在1958年已被首次提出，但在以鹵素燈為主要大燈光源的年代自然是難以實現(xiàn)。而隨著汽車燈具技術的不斷進步，由其是LED光源的普及，以及傳感器和算法處理領域的大量技術革新，目前較先進的大燈系統(tǒng)已實現(xiàn)根據(jù)各種復雜的路面環(huán)境進行多樣化光型調節(jié)的功能，執(zhí)行如多道路模式切換、智能隨動轉向、自動識別對向來車的無眩光遠光、路標識別、行人警示等智能照明動作。此類功能既對行駛安全有幫助， 也能直觀地提升車輛的科技感，市場前景廣闊。
圖 2.3 ADB (Adaptive Driving Beam)的市場份額趨勢評估
光源技術路線分析
LED矩陣式
基于LED小體積、易驅動、快速響應等特性，使用多顆LED進行行、列或矩陣式排列是實現(xiàn)入門級多像素智能大燈最直接的方案。與普通LED大燈相比，LED矩陣式大燈需要更多路的驅動，更大的散熱能力，以及給每顆LED配光成為獨立像素的二次光學系統(tǒng)。
相關技術也相對較成熟，開發(fā)的不確定性較低，周期相對較短。由于LED封裝尺寸的限制，最終的像素數(shù)量級能到百位級已經(jīng)基本上是極限。
圖 2.4 LED 矩陣式智能大燈示例 (來源 : HELLA官網(wǎng))
LCD式
隨著像素數(shù)量的提高，智能大燈的照明功能已逐漸兼具顯示功能。LCD(Liquid crystal Display，液晶顯示技術) 作為目前主流的顯示技術自然而然地成為了智能大燈光源系統(tǒng)的一個選擇。
目前的LCD式大燈的像素數(shù)量級已經(jīng)能做到萬級，LCD式具有成本相對較低，體積相對較小，光型可拉伸角度較寬，明暗對比度較高等優(yōu)勢。
其主要限制在于，由于偏光片及液晶面板的損耗，光學效率相對較低，而且從原理上來說改善空間有限。
圖 2.5 LCD式智能大燈示例 (圖片來源 : HELLA官網(wǎng))
DLP式
與發(fā)展LCD式智能大燈的原因類似，作為目前投影設備主流技術的基于DMD器件(Digital Micromirror Device, 數(shù)字微鏡元件)的DLP技術 (Digital Light Processing, 數(shù)字光處理 ) 自然也成為了多像素智能大燈光源系統(tǒng)的可選技術路線。
光源方面，與目前的投影技術類似，LED 和激光 (Laser)均可作為DLP系統(tǒng)的光源。LED+DMD的優(yōu)勢在于技術比較成熟，亮度、效率等各主要參數(shù)也足夠好。激光 + DMD 的優(yōu)勢在于，得益于激光的強方向性。目前的首款DLP式智能大燈已突破百萬級的像素，遙遙領先于其他技術，而且將來還有進一步上升的空間。
μAFs 式
μAFs 是業(yè)內對可尋址像素矩陣式 LED(Addressable LED Pixel Array)的簡稱，是一種專門針對多像素智能大燈系統(tǒng)開發(fā)的LED技術。在過去傳統(tǒng)的LED工藝里，每個芯片只有單個正極和單個負極(多芯片LED僅是把多個獨立的LED芯片整合到一個LED封裝)，外部驅動提供電能后，整片芯片同時點亮。而μAFs則是預先在芯片的硅襯底中整合了矩陣式的 cMos 控制電路，結合同樣經(jīng)矩陣式微結構處理的芯片，實現(xiàn)了對芯片上每一個獨立的微結 構區(qū)域進行單獨的開、關及電流調節(jié)的功能，使每一個微結構區(qū)域直接成為了大燈光型中可獨立控制的像素。
得益于無需額外增加像素形成系統(tǒng)的特性，μAFs的主要優(yōu)勢便體現(xiàn)在較低的系統(tǒng)成本，較小的系統(tǒng)體積，以及相當高的效率。
圖 2.7 μAFS 式智能大燈示例 (圖片來源 : OSRAM)
幾種技術路線的主要參數(shù)對比:
激光掃描式
激光掃描式投影技術已在消費及工業(yè)領域開始應用，理論上存在拓展到車載領域，特別是智能大燈系統(tǒng)上應用的可能性，已有廠家提出相關概念并進行可行性研究。其基本原理為利用基于 MEMs 技術(Micro-Electro-Mechanical system, 微機電系統(tǒng))所制成的高精度掃描鏡周期性地在不同角度上依次反射激光光路，在投射面上形成遠高于人眼反應速率的快速刷新圖像。
圖 2.9激光掃式投影技術示意(圖片來源 : BOSCH 官網(wǎng))
總結及展望
除去技術目前尚未成熟的激光掃描式大燈，對于技術相對接近并各有所長的LED+LcD, LED+ DMD, Laser + DMD及μAFs四種高像素技術，外加入門級的低像素LED矩陣進行主要參數(shù)的宏觀對比，可得對比圖如下:
圖 2.10 各技術綜合對比
可見，LED+LCD總的來說是除了效率瓶頸外各方面比較均衡的技術;LED/LAsER+DMD 在像素數(shù)量上一枝獨秀;而μAFs在效率、對比度、工作溫度范圍等方面均有相當優(yōu)勢，像素數(shù)量卻比不上前二者。
值得指出的是，這幾項技術相互間雖有一定的競爭性，但更存在著各取所長的有機結合空間。 例如下圖圖八所示:
圖 2.11 幾種技術的有機結合
可見，作為未來汽車照明發(fā)展方向的多像素智能大燈系統(tǒng)，具有廣闊的市場前景，豐富的技術 儲備，以及無限的創(chuàng)新空間，值得面向未來的汽車主機廠和燈具廠提前投入和布局。
素材來源：歐司朗光電半導體(中國)有限公司，晶能光電（江西）有限公司
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