林燕丹

　　復(fù)旦大學(xué)電光源研究所副所長(zhǎng)、

　　中國國際汽車照明論壇組委會(huì)首席執(zhí)行人

　　《2018阿拉丁照明產(chǎn)業(yè)調(diào)研白皮書》汽車照明 總顧問

　　芯片級(jí)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(jìn)，LED光源器件的性能呈臺(tái)階式上升且成本在不斷下降，大部分光源領(lǐng)域基本上都被LED所取代。LED作為第四代光源，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在戶內(nèi)外照明、液晶背光、景觀照明、移動(dòng)照明等領(lǐng)域。隨著人們消費(fèi)理念的升級(jí)和近幾年LED行業(yè)新技術(shù)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(nèi)飾照明到后來的外部信號(hào)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(chǎng)，同時(shí)有向普通車型漫延的趨勢(shì)。

　　汽車市場(chǎng)是個(gè)成熟的市場(chǎng)，全球的銷量總體來說是穩(wěn)步的增長(zhǎng)，全球年增長(zhǎng)約3-4%，全球年銷量約8000萬輛。汽車照明 LED的主要應(yīng)用市場(chǎng)是取代傳統(tǒng)的氙氣燈，乃至鹵素?zé)簟Ｓ捎趥鹘y(tǒng)的氙氣燈亮度低、光效低、啟動(dòng)時(shí)間長(zhǎng)，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(guān)機(jī)構(gòu)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(chǎng)規(guī)模已達(dá)7.4億美元，同比增長(zhǎng)速率已超過 17%。受惠于LED滲透率持續(xù)攀升，預(yù)計(jì)2018年中國汽車照明用LED封裝市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)9.2億美元。借此東風(fēng)，不少中國本土廠商著力布局汽車照明供應(yīng)鏈，尤其是前裝市場(chǎng) (OE-original Equipment)的布局，這將力改過去國內(nèi)LED汽車照明市場(chǎng)被國際巨頭長(zhǎng)年壟斷的不利局面。在此背景下，國內(nèi)不少企業(yè)紛紛涌入LED汽車照明市場(chǎng)。

　　目前車規(guī)級(jí)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(duì)封閉性等情況，現(xiàn)階段 Lumileds與osram占有前大燈市場(chǎng)80%以上;三星的主要市場(chǎng)在韓國，占10%;其余市場(chǎng)為日亞與臺(tái)灣廠家瓜分;國內(nèi)廠家近年來逐步推出相關(guān)產(chǎn)品，試圖進(jìn)入該市場(chǎng)。

　　概述目前車規(guī)級(jí)LED廠商推出的各產(chǎn)品現(xiàn)狀

　　因汽車大燈對(duì)技術(shù)、可靠性及使用的環(huán)境要求非常高， 因此在設(shè)計(jì)產(chǎn)品時(shí)需要注重以下內(nèi)容:

　　單顆芯片的大小一般為38~40mil，驅(qū)動(dòng)電流1A到1.2A，預(yù)計(jì)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(gè)LED光通量一般為1000~1600lm，未來目標(biāo)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(dòng)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?zé)晒馄案叻瓷浒咨珡?fù)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(jié)構(gòu)和芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。齊納二極管保護(hù)，靜電防護(hù)10KV。采用耐高溫?zé)晒馄鞍咨珡?fù)合材料。

　　基板采用Laser Mark識(shí)別，可追蹤每一顆芯片、熒光片、機(jī)臺(tái)等重點(diǎn)信息。

　　產(chǎn)品可靠性滿足AEc-Q101要求。

　　圖 2.1 從左到右:國內(nèi)某廠產(chǎn)品，X-Ray 檢驗(yàn)，Laser Mark 識(shí)別

　　圖 2.2 LED封裝器件中ESD保護(hù)

　　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(zhǎng)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(nèi)廠家在這方面要稍差點(diǎn)，另在同等尺寸芯片下，亮度要比外國差 5~8%，所以國內(nèi)廠家會(huì)通過增大尺寸來提高產(chǎn)品亮度，但是增大尺寸又會(huì)造成遠(yuǎn)光照度不夠等問題。

　　任何一個(gè)車規(guī)級(jí)LED制造廠商，產(chǎn)品都要有非常嚴(yán)格的可靠性驗(yàn)證，尤其是供給前裝車燈廠，產(chǎn)品必須要過車規(guī)級(jí)可靠性驗(yàn)證-AEc-Q101, 產(chǎn)品可靠性驗(yàn)證項(xiàng)目如下:

　　車規(guī)級(jí)LED器件廠商的發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)

　　1、后裝市場(chǎng)所用的LED燈逐步開始沿著前裝車燈的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)智能化前照燈，未來智能大燈的實(shí)現(xiàn)需要每個(gè)芯片的可以單獨(dú)控制亮滅以實(shí)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(chǎng)的車將開始采用激光大燈來替代LED燈。

　　激光大燈有幾項(xiàng)非常好的優(yōu)點(diǎn):

　　A、激光是一種相干光源、一種波長(zhǎng)、單色光源，這樣使照度更強(qiáng)，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(shè)計(jì)師們更加自由的設(shè)計(jì)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(xué)系統(tǒng)變換后才應(yīng)用到車燈上來的，這樣保證不會(huì)對(duì)人、動(dòng)物燈造成傷害，滿足法規(guī)要求。

　　激光光源及像素/矩陣級(jí)光束照明研究

　　智能大燈發(fā)展趨勢(shì)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?zé)魹橹饕鬅艄庠吹哪甏匀皇请y以實(shí)現(xiàn)。而隨著汽車燈具技術(shù)的不斷進(jìn)步，由其是LED光源的普及，以及傳感器和算法處理領(lǐng)域的大量技術(shù)革新，目前較先進(jìn)的大燈系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)根據(jù)各種復(fù)雜的路面環(huán)境進(jìn)行多樣化光型調(diào)節(jié)的功能，執(zhí)行如多道路模式切換、智能隨動(dòng)轉(zhuǎn)向、自動(dòng)識(shí)別對(duì)向來車的無眩光遠(yuǎn)光、路標(biāo)識(shí)別、行人警示等智能照明動(dòng)作。此類功能既對(duì)行駛安全有幫助， 也能直觀地提升車輛的科技感，市場(chǎng)前景廣闊。

　　圖 2.3 ADB (Adaptive Driving Beam)的市場(chǎng)份額趨勢(shì)評(píng)估

　　光源技術(shù)路線分析

　　LED矩陣式

　　基于LED小體積、易驅(qū)動(dòng)、快速響應(yīng)等特性，使用多顆LED進(jìn)行行、列或矩陣式排列是實(shí)現(xiàn)入門級(jí)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(qū)動(dòng)，更大的散熱能力，以及給每顆LED配光成為獨(dú)立像素的二次光學(xué)系統(tǒng)。

　　相關(guān)技術(shù)也相對(duì)較成熟，開發(fā)的不確定性較低，周期相對(duì)較短。由于LED封裝尺寸的限制，最終的像素?cái)?shù)量級(jí)能到百位級(jí)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?cái)?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(shù)) 作為目前主流的顯示技術(shù)自然而然地成為了智能大燈光源系統(tǒng)的一個(gè)選擇。

　　目前的LCD式大燈的像素?cái)?shù)量級(jí)已經(jīng)能做到萬級(jí)，LCD式具有成本相對(duì)較低，體積相對(duì)較小，光型可拉伸角度較寬，明暗對(duì)比度較高等優(yōu)勢(shì)。

　　其主要限制在于，由于偏光片及液晶面板的損耗，光學(xué)效率相對(duì)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(shè)備主流技術(shù)的基于DMD器件(Digital Micromirror Device, 數(shù)字微鏡元件)的DLP技術(shù) (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(shù)路線。

　　光源方面，與目前的投影技術(shù)類似，LED 和激光 (Laser)均可作為DLP系統(tǒng)的光源。LED+DMD的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)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(shì)在于，得益于激光的強(qiáng)方向性。目前的首款DLP式智能大燈已突破百萬級(jí)的像素，遙遙領(lǐng)先于其他技術(shù)，而且將來還有進(jìn)一步上升的空間。

　　μAFs 式

　　μAFs 是業(yè)內(nèi)對(duì)可尋址像素矩陣式 LED(Addressable LED Pixel Array)的簡(jiǎn)稱，是一種專門針對(duì)多像素智能大燈系統(tǒng)開發(fā)的LED技術(shù)。在過去傳統(tǒng)的LED工藝?yán)铮總€(gè)芯片只有單個(gè)正極和單個(gè)負(fù)極(多芯片LED僅是把多個(gè)獨(dú)立的LED芯片整合到一個(gè)LED封裝)，外部驅(qū)動(dòng)提供電能后，整片芯片同時(shí)點(diǎn)亮。而μAFs則是預(yù)先在芯片的硅襯底中整合了矩陣式的 cMos 控制電路，結(jié)合同樣經(jīng)矩陣式微結(jié)構(gòu)處理的芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)芯片上每一個(gè)獨(dú)立的微結(jié) 構(gòu)區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)的開、關(guān)及電流調(diào)節(jié)的功能，使每一個(gè)微結(jié)構(gòu)區(qū)域直接成為了大燈光型中可獨(dú)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(shì)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(dāng)高的效率。

　　圖 2.7 μAFS 式智能大燈示例 (圖片來源 : OSRAM)

　　幾種技術(shù)路線的主要參數(shù)對(duì)比:

　　激光掃描式

　　激光掃描式投影技術(shù)已在消費(fèi)及工業(yè)領(lǐng)域開始應(yīng)用，理論上存在拓展到車載領(lǐng)域，特別是智能大燈系統(tǒng)上應(yīng)用的可能性，已有廠家提出相關(guān)概念并進(jìn)行可行性研究。其基本原理為利用基于 MEMs 技術(shù)(Micro-Electro-Mechanical system, 微機(jī)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(yuǎn)高于人眼反應(yīng)速率的快速刷新圖像。

　　圖 2.9激光掃式投影技術(shù)示意(圖片來源 : BOSCH 官網(wǎng))

　　總結(jié)及展望

　　除去技術(shù)目前尚未成熟的激光掃描式大燈，對(duì)于技術(shù)相對(duì)接近并各有所長(zhǎng)的LED+LcD, LED+ DMD, Laser + DMD及μAFs四種高像素技術(shù)，外加入門級(jí)的低像素LED矩陣進(jìn)行主要參數(shù)的宏觀對(duì)比，可得對(duì)比圖如下:

　　圖 2.10 各技術(shù)綜合對(duì)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(shù);LED/LAsER+DMD 在像素?cái)?shù)量上一枝獨(dú)秀;而μAFs在效率、對(duì)比度、工作溫度范圍等方面均有相當(dāng)優(yōu)勢(shì)，像素?cái)?shù)量卻比不上前二者。

　　值得指出的是，這幾項(xiàng)技術(shù)相互間雖有一定的競(jìng)爭(zhēng)性，但更存在著各取所長(zhǎng)的有機(jī)結(jié)合空間。 例如下圖圖八所示:

　　圖 2.11 幾種技術(shù)的有機(jī)結(jié)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(chǎng)前景，豐富的技術(shù) 儲(chǔ)備，以及無限的創(chuàng)新空間，值得面向未來的汽車主機(jī)廠和燈具廠提前投入和布局。

　　素材來源：歐司朗光電半導(dǎo)體(中國)有限公司，晶能光電（江西）有限公司