2020年5月13日 星期三

.汽車照明技術現狀與發展趨勢之一

Audi Lighting Technology: 
Illuminating the Future



來源: 阿拉丁商城(作者:林燕丹) 



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。

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

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。


中国汽车照明光源技术现状与发展趋势
2.1 從左到右:中國某廠產品,XRay 檢驗,Laser Mark 辨



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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。

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:


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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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23 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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2.4 LED 矩陣式智慧大燈示例 (來源 HELLA官網)



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。


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25 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。

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。

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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 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:


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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。


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2.9雷射掃式投影技術示意(圖片來源 BOSCH 官網)

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:


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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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2.11 幾種技術的有機結合



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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