Audi Lighting Technology:
Illuminating the Future
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晶片級 LED 性能研究 汽車照明背景
LED 產業在過去近 10 年的發展突飛猛進，LED 光源器件的性能，呈台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，已經廣泛應用在戶內外照明、液晶背光、景觀照明、行動照明等領域。
隨著人們消費理念的升級，和近幾年 LED 行業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展期，從最先的內飾照明，到後來的外部信號燈，再到最近這兩年的前照明燈具，LED 已經開始逐步取代傳統的氙燈，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，是穩步的成長，全球年成長約 3 - 4％，全球年銷量約 8000 萬輛。
汽車照明 LED的主要應用市場，是取代傳統的氙氣燈，乃至鹵素燈。由於傳統的氙氣燈亮度低、光效低、啓動時間長，而 LED 體積小、亮度高、光效高、易於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。
汽車照明 LED的主要應用市場，是取代傳統的氙氣燈，乃至鹵素燈。由於傳統的氙氣燈亮度低、光效低、啓動時間長，而 LED 體積小、亮度高、光效高、易於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。
據相關機構研究數據顯示，2017 年中國汽車照明行業用 LED 封裝市場規模已達7.4億美元，同比成長速率已超過 17％。受惠於LED滲透率持續攀升，預計2018年中國汽車照明用LED封裝市場規模將達9.2億美元。
借此東風，不少中國本土廠商著力佈局汽車照明供應鏈，尤其是前裝市場 （OEM－original Equipment manufacturing）的佈局，這將力改過去中國國內 LED 汽車照明市場，被國際巨頭長年壟斷的局面。在此背景下，中國國內不少企業紛紛湧入LED汽車照明市場。（3S Market: 對岸中國現在最大的問題，是什麼都想自己來）
借此東風，不少中國本土廠商著力佈局汽車照明供應鏈，尤其是前裝市場 （OEM－original Equipment manufacturing）的佈局，這將力改過去中國國內 LED 汽車照明市場，被國際巨頭長年壟斷的局面。在此背景下，中國國內不少企業紛紛湧入LED汽車照明市場。（3S Market: 對岸中國現在最大的問題，是什麼都想自己來）
目前車規級LED廠商的整體現狀
由於汽車照明的高性能，高可靠性要求，以及汽車行業的相對封閉性等情況，現階段 Lumileds 與 OSRAM 佔有前大燈市場80％以上；三星的主要市場在韓國，佔 10％；其餘市場為日亞與台灣廠家瓜分；中國廠家近年來逐步推出相關產品，試圖進入該市場。
概述目前車規級 LED 廠商推出的各產品現狀
因汽車大燈對技術、可靠性及使用的環境要求非常高， 因此在設計產品時需要注重以下內容：
單顆晶片的大小一般為 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。
晶片的固晶方式，都為共晶，增大晶片與底板的接觸面，減小熱阻，X－ray全檢虛焊空洞率。
由於發熱大，產品的晶片貼陶瓷螢光膜片，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，基板穩定性能好。
光源晶片之間間距小，採用耐高溫螢光片，及高反射白色複合材料，單面出光。易於配光，明暗截止線清晰，無暗區，照度高。特殊的高電流密度、高光密度外延結構和晶片結構設計。齊納二極管保護，靜電防護 10KV。採用耐高溫螢光片及白色複合材料。
基板採用 Laser Mark 辨識，可追蹤每一顆複片、螢光片、機台等重點資訊。
產品可靠性滿足 AEc－Q101要求。
圖 2.1 從左到右：中國某廠產品，X－Ray 檢驗，Laser Mark 辨識
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圖 2.2 LED 封裝器件中 ESD 保護
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從歐司朗、亮銳、日亞、三星及晶能光電，這些產品的光電性能來看，在同一條件下，產品基本上差別不大。但是歐司朗、亮銳產品發光中心一致性好，要求螢光片位偏小，而日亞採用的是長條形的螢光片，這樣的好處是無暗區，明暗截止線好。
而中國廠家在這方面要稍差點，另在同等尺寸晶片下，亮度要比國際水準差 5～8％，所以中國廠家會通過增大尺寸，來提高產品亮度，但是增大尺寸又會造成遠光照度不夠等問題。
而中國廠家在這方面要稍差點，另在同等尺寸晶片下，亮度要比國際水準差 5～8％，所以中國廠家會通過增大尺寸，來提高產品亮度，但是增大尺寸又會造成遠光照度不夠等問題。
任何一個車規級 LED 製造廠商，產品都要有非常嚴格的可靠性驗證，尤其是供給前裝車燈廠，產品必須要過車規級可靠性驗證－ AEc － Q101， 產品可靠性驗證項目如下：
車規級 LED 器件廠商的發展趨勢預測
1、後裝市場所用的 LED 燈，逐步開始沿著前裝車燈的設計去開發。
2、世界一流的 LED 廠家，開始採用中小功率的 CSP，組成模組的形式，去實現智慧化前照燈，未來智慧大燈的實現，需要每個晶片的可以單獨控制亮滅，以實現不同路況環境下的不同需求。
3、一流廠商也開始從製造 LED 光源，邁入開發一體化模組、透鏡及整套燈具。
4、一些高端市場的車，將開始採用雷射大燈來替代 LED 燈。
雷射大燈有幾項非常好的優點：
A、雷射是一種相干光源、一種波長、單色光源，這樣使照度更強，亮度更高。
B、雷射相位差不變，因此光束發散度極小，因此光型更能好控制，更合適車規的要求。
C、由於產生雷射的雷射二極管體積非常小，非常省電，所以避免了因 LED 大規模陣列式佈置在燈具裡，這樣可以使設計師們，更加自由的設計燈具。
D、雷射車燈的光線不是直接射出來的，而是經過光學系統變換後，才應用到車燈上來的，這樣保證不會對人、動物燈造成傷害，滿足法規要求。
雷射光源及像素/矩陣級光束照明研究
智慧大燈發展趨勢，根據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。
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，已實現根據各種複雜的路面環境，進行多樣化光型調節的功能，執行如多道路模式切換、智慧隨動轉向、自動辨識對向來車的無眩光遠光、路標辨識、行人警示等智慧照明動作。
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。
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圖 2．3 ADB （Adaptive Driving Beam）的市場份額趨勢評估
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光源技術路線分析
LED 矩陣式
基於 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，是實現入門級多像素智慧大燈，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。
相關技術也相對較成熟，開發的不確定性較低，週期相對較短。由於 LED 封裝尺寸的限制，最終的像素數量級，能到百位級已經基本上是極限。
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圖 2.4 LED 矩陣式智慧大燈示例 （來源 ： HELLA官網）
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LCD 式
隨著像素數量的提高，智慧大燈的照明功能，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慧大燈，光源系統的一個選擇。
目前的 LCD 式大燈的像素數量級，已經能做到萬級，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勢。
其主要限制在於，由於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）
DLP式
與發展 LCD 式智慧大燈的原因類似，作為目前投影設備主流技術的基於 DMD 器件（Digital Micromirror Device， 數位微鏡元件）的 DLP 技術 （Digital Light Processing， 數位光處理 ） 自然也成為了多像素智慧大燈光源系統的可選技術路線。
光源方面，與目前的投影技術類似，LED 和雷射 （Laser）均可作為 DLP 系統的光源。LED＋DMD 的優勢，在於技術比較成熟，亮度、效率等各主要參數也足夠好。雷射＋DMD 的優勢在於，得益於雷射的強方向性。
目前的首款 DLP 式智慧大燈，已突破百萬級的像素，遙遙領先於其他技術，而且將來還有進一步上升的空間。
目前的首款 DLP 式智慧大燈，已突破百萬級的像素，遙遙領先於其他技術，而且將來還有進一步上升的空間。
μAFs 式
μAFs 是業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慧大燈系統，開發的LED技術。
在過去傳統的 LED 技術裡，每個晶片只有單個正極，和單個負極（多晶片 LED 僅是把多個獨立的 LED 晶片，整合到一個 LED 封裝），外部驅動提供電能後，整片晶片同時點亮。
而 μAFs 則是預先在晶片的矽襯底中，整合了矩陣式的 cMos 控制電路，結合同樣經矩陣式微結構處理的晶片，實現了對晶片上，每一個獨立的微結構區域，進行單獨的開、關，及電流調節的功能，使每一個微結構區域，直接成為了大燈光型中，可獨立控制的像素。
在過去傳統的 LED 技術裡，每個晶片只有單個正極，和單個負極（多晶片 LED 僅是把多個獨立的 LED 晶片，整合到一個 LED 封裝），外部驅動提供電能後，整片晶片同時點亮。
而 μAFs 則是預先在晶片的矽襯底中，整合了矩陣式的 cMos 控制電路，結合同樣經矩陣式微結構處理的晶片，實現了對晶片上，每一個獨立的微結構區域，進行單獨的開、關，及電流調節的功能，使每一個微結構區域，直接成為了大燈光型中，可獨立控制的像素。
得益於無需額外增加像素，形成系統的特性，μAFs 的主要優勢便體現在較低的系統成本，較小的系統體積，以及相當高的效率。
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| 圖 2.7 μAFS 式智慧大燈示例 （圖片來源 ： OSRAM） |
幾種技術路線的主要參數對比：
雷射掃描式
雷射掃描式投影技術，已在消費及工業領域開始應用，理論上存在拓展到車載領域，特別是智慧大燈系統上應用的可能性，已有廠家提出相關概念，並進行可行性研究。
其基本原理為利用基於 MEMs 技術（Micro-Electro-Mechanical system， 微機電系統）所製成的高精度掃描鏡，週期性地在不同角度上，依次反射雷射光路，在投射面上，形成遠高於人眼反應速率的快速刷新圖像。
其基本原理為利用基於 MEMs 技術（Micro-Electro-Mechanical system， 微機電系統）所製成的高精度掃描鏡，週期性地在不同角度上，依次反射雷射光路，在投射面上，形成遠高於人眼反應速率的快速刷新圖像。
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圖 2.9雷射掃式投影技術示意（圖片來源 ： BOSCH 官網）
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總結及展望
除去技術目前尚未成熟的雷射掃描式大燈，對於技術相對接近，並各有所長的 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 在像素數量上一枝獨秀；而μAFs在效率、對比度、工作溫度範圍等方面，均有相當優勢，像素數量卻比不上前二者。
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：
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圖 2.11 幾種技術的有機結合
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可見，作為未來汽車照明發展方向的多像素智慧大燈系統，具有廣闊的市場前景，豐富的技術儲備，以及無限的創新空間，值得面向未來的汽車主機廠和燈具廠，提前投入和佈局。539180905
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