LED -Technologie im Automobil - Hochschule...

Dr. Martin Rode (Hella KGaA Hueck & Co.)

MST.factory, Dortmund, 05.11.2008

LED-Technologie im Automobil

LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.20082Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.

LED-Technologie im AutomobilAgenda

� Vorstellung Hella� Warum LEDs im Automobil ?� Lichtquelle LED

- Physikalische Beschreibung- Farbe- Effizienzsteigerung- Automotive-Anforderungen

� LED-Technik im Automobil- Optik- Elektronik- Thermo-Management- Bauformen- Aufbau- und Verbindungstechnik


LED-Technologie im AutomobilHella KGaA Hueck & Co.

� Partner der Automobilindustrie, Aftermarket undSpecial OE seit über 100 Jahren

� Familienbesitz und familiengeführt� Umsatz 3.9 Milliarden €, FY 07/08� Mitarbeiter weltweit 25,000

Business Divisions

Licht1.

Umsatz*: €1,500 mill.

Scheinwerfer

Licht Elektronik

Signal Leuchten

Innenraumbeleuchtung

Frontend Module

Elektronik2.


Sensoren

Fahrer Assistenz Systeme

Body Electronik

Aktuatoren

Energie Management

E/E Architekturen

Aftermarket & Special OE3.


Weltweite AftermarketOrganisation :

LichtElektrik /Elektronik

Klima Special OE

*) Figures including JVs


Internationalität.Wir sind dort, wo unsere Kunden sind.

Neuseeland

Mexiko

Kanada

Australien

Philippinen

Singapur

Indien

Süd-Korea

Japan

China

USA

Norwegen

Russland

Ukraine

Niederlande

Polen

Griechenland

Belgien

Irland

Automobilindustrie

Aftermarket & Special OE

World Headquarter

Regional Headquarter

Entwicklung

Produktionsgesellschaften / Joint Venture

Vertriebsgesellschaft / -büro

World Headquarter

Regional Headquarter

Entwicklung

Produktionsgesellschaften / Joint Venture

Vertriebsgesellschaft / -büro Stand 2006-09-01

NAFTA/SÜDAMERIKA ASIEN/PAZIFIKEUROPA

Weltweite Entwicklungs-, Produktions-und Vertriebspräsenz

Deutschland

Tschechien

Slowakei

Österreich

Dänemark

Finnland

RumänienGroßbritannien

Schweden

Italien

Brasilien

Frankreich

Spanien


HochgesetzteBremsleuchte

1992

Voll-LED-Scheinwerfer2007/2008

Erste Signalfunktionenim Scheinwerfer 2003

Voll-LEDRückleuchte

2006

Brems- /Rücklicht-Funktion

2000

LED-Technologie im AutomobilEntwicklung in der LED-Technologie


LED-Technologie im AutomobilStyling: Bedeutung für den Endkunden (Deutschland)

Einflussfaktoren bei der Kaufentscheidung von Autokunden

Verbesserungdurch LED-Scheinwerfer


Fernlicht

LED-Technologie im AutomobilVoll-LED-Scheinwerfer, Cadillac Escalade Platinum


LED-Technologie im AutomobilMarketing Approach: Licht-Farbe

Halogen

Xenon

LED

Hohes Potenzial zur Differenzierung: Licht-Farbe

Tageslicht (mittags)


LED-Technologie im AutomobilLebensdauer - Vergleich von Lichtquellen

10000 -50000 (B50)2000 (B50)550 (Tc)440 (Tc)400 (Tc)

Lebens-dauer h

50 – 90*(* Labor)

90252518Effizienz

lm/W

LEDXenon-lampeD2 S

Halogen-lampe

H7

Halogen-lampeH21 W

Glüh-lampeP21 W

Tc: 63 % Ausfälle, B50: 50 % Ausfälle


Audi A8 W12

Hella After Market Products+ Innenbeleuchtung+ Kennzeichenleuchte+ Rücklicht

0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

Halogen (Abblendlicht) LED-TFL

Tre

ibst

offl

/100

km(1

00W

~0,

15l/1

00km

)LED-Technologie im AutomobilLED Tagfahrlicht: Verbesserte Energie Effizienz

LED-TFL: 95% weniger Energieverbrauch = 0,2 l /100 km Treibstoff = 5 g /km CO2

LED TFL:Einsparung 95%


LED-Technologie im AutomobilAtommodell

Energieniveaus desWasserstoffatoms

Lebensdauer ca. 10E-8 s


• im Festkörper spalten alle (im Individualatom scharfen) Niveaus in Bänder auf• für elektrisches Verhalten entscheidend: Besetzung mit Elektronen

Bandlücke

elektrischer Leiter

elektrischer Leiter

Isolator (Bandlücke > 1eV)Halbleiter (Bandlücke < 1eV)

LED-Technologie im AutomobilGrundlagen - Leiter und Isolator

• Strom = bewegte Elektronen• zusätzliche kinetische Energie

muss möglich sein

Bändermodell

besetzbaresEnergieband

besetzbaresEnergieband

keineEnergieniveausE

nerg

ie


• Zugabe von Fremdatomemit weniger Elektronen (Akzeptoren) → p - Halbleiter*mit mehr Elektronen (Donatoren) → n - Halbleiter

p - Halbleiter n - Halbleiter

* fehlende Elektronen = „Löcher“ (verhalten sich wie positive Ladungsträger) → p

LED-Technologie im AutomobilHalbleiter - Dotierung

Isolator


• Kombination von p- und n-Halbleitermit geeigneter Bandstruktur

LED-Technologie im Automobilpn - Übergang

• an Kontaktfläche durch Diffusionkurzzeitiger Ladungsträgeraustausch

• Aufbau einer Potentialdifferenzstoppt weiteren Austausch

+p

n


• beim Anlegen einer Spannung geeigneter Polaritätströmen die Ladungsträger durch die Grenzfläche (Junction)

LED-Technologie im AutomobilDiode

• Elektronen im Leitungsband stehen Löchern im Valenzband gegenüber• Rekombination

• positiver + negativer Ladungsträger „verschwinden“• es baut sich keine Ladung auf• Energie wird frei

• äußere Stromquelle liefert ständig Ladungsträger nach

• bei geeigneter Energielücke → Energie kann als Strahlung frei werden

Diode inDurchlass


• ausgedehnte Zone der Lichterzeugung• „hoher“ Widerstand• viele Möglichkeiten zu

nicht-strahlender Rekombination

• daher für hohe Effizienz:positive und negative Ladungsträger „gegenüberliegend“ konzentrieren→→→→ Mehrschichtaufbau für LEDs („Heterojunction“)

LED-Technologie im AutomobilFunktionsprinzip - LED

nach Zuskaukas et al.

nach E.F. Schubert


LED-Technologie im AutomobilLED-Farben - Emission und Farbe

Conduction Band

Valence Band

Doping

Defect∆∆∆∆E

++++

−−−−

Anregung über el. Strom � Rekombination: Emission von Licht

iZusammensetzung der Materialverbindung verändert die Farbe

iDotierung verändert die Farbe

iKristalldefekte und Temperaturbewegung: Degradation

Problem: Gitterfehlpassung


LED-Technologie im AutomobilLED-Farben - Material und Farbe

Wegen der gut definierten Energieabstände twischen Valenz-und Leitungsband ist die Emission nahezu monochrom(∆λ∆λ∆λ∆λ 20 – 30 nm)

Typische Materialien und Farbbereich:

Aluminium Indium Gallium Phosphit: Rot bis Gelb

Indium Gallium Nitrit: Grün bis Blau & nahes UV


LED-Technologie im AutomobilLED-Farben - Weißes Licht mit LEDs

• dynamische Farbanpassung• großer Farbumfang• Farbwiedergabe abhängig

von Anzahl der LEDs• Rückkopplung notwendig• komplex und teuer

Multi-LED2 oder mehr LEDs

Vollständige UmwandlungUV LED + RGB-Phosphore

• Weiß durch Phosphor• fester Farbpunkt• exzellente Farbwiedergabe• effiziente UV-LED

erforderlich• Energieverlust durch

Umwandlung

Partielle UmwandlungBlaue LED + gelber Phosphor

• gute Farbwiedergabe• einfach• preiswert• temperaturempfindlich• Energieverlust durch

Umwandlungnach Zuskaukas et al.


LED-Technologie im AutomobilLED-Farben - Partielle Umwandlung mittels Phosphor

• Ra: Farbwiedergabewert (je größer umso besser)• K: (hier theoretisch erreichbarer) maximaler Effizienz

Leis

tung

(a.u

.) 3000 K4000 K

6000 K10000 K

AlInGaN

YAG:Ce3+


Nach Justel et al.


LED-Technologie im AutomobilEffizienz einer LED

η(ext)xη(int)x680 x V(λ)=Pv

xInterne Effizienz AuskoppeleffizienzxAugen-empfindlichkeit

=Lichtstrom

Natur Material-Eigenschaft

LED-Chip-Design

Interne Effizienz = erzeugte Photonen / Injizierte ElektronenAuskoppeleffizienz = Ausgekoppelte Photonen / Injizierte Elektronen


LED-Technologie im AutomobilEffizienz - Bauformen für mehr Lichtaustritt

• Grenzwinkel αg: sin αg = n2/n1 ( ← Brechungsgesetz)n2 (Luft) =1n1 = 1,5 : αg ≈ 42°n1 = 2,5 : αg ≈ 24°n1 = 3,5 : αg ≈ 17°

• Vergrößerung des Austrittskegels durch Überschichten mit z.B. Epoxy (n ≈ 1.5)• möglichst viele Austrittskegel ermöglichen

cs

Absorbing Substrate

n

Active Layer

Air

Sem

icon

duct

or θ

Total internalreflectionEscape

Epoxy ne

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)


η(ext)=4%η(ext)=8%

η(ext)>24%SeitlicherAustritt

•

TransparentesSubstrat


LED-Technologie im AutomobilEffizienz - Bauformen für mehr Lichtaustritt

• Anpassung der Geometrie des Halbleiter Chips

nach E.F. Schubert


LED-Technologie im AutomobilEffizienz - Geometrie des Chips (weiße Osram LED)

GaAs Substrat

N-Kontakt(Abschattung)

Micro-Prisma

Isolation

P-Kontakt

AR-Beschichtung(Totalreflexion)

Isolierter Bereichunterhalb desBondpads

Optimiert auf Oberflächen-Emission

QuelleFa. Osram OS


LED-Technologie im AutomobilEffizienz - Flip-Chip-Technologie

InGaN aktive p-n-Schicht

Saphir Substrat

Neues Substrat

„Flip top to bottom“

(und entferne Saphir-Substrat)

• Bessere Lichtauskopplung (Licht wird stochastisch verteilt,nicht gerichtet wie z.B. bei Micro-Prismen)

QuelleFa. Osram OS


LED-Technologie im AutomobilEffizienz - Thin-Film-Technologie

ThinFilm Technologie

Volumen EmitterEmittierende Flächen:

A = Oberfläche + 4 Seitenflächen

Beispiel:Chiplänge a = 1.1 mmHöhe h = 0.2 mmA = 2.0 mm²

ThinFilm-Technologie: Reiner OberflächenemitterA = 1mm²

Leuchtdichte des Chips:EV ThinFilm = 2.0 EV Volumen

h

a

Standard Chip

top emission

side emission

top emission

side emission

> 97 %~ 49 %

QuelleFa. Osram OS


LED-Technologie im AutomobilAnforderungen an LEDs

Temperatur

FeuchtigkeitChemikalien

Mechanische

Beanspruchung

Strom/Spannung


Consumer Industrie Automotive

Temperaturbereich 0 ... 40 °C - 10 ... 70 °C - 40 ... 140 °C

Betriebsdauer 1 ... 3 Jahre 5 ... 10 Jahre > 15 Jahre

Mech. Schock na ... 5 g ... 50 g

ESD (HBM) 3 kV 10 kV ... 25 kV

TolerierteAusfallrate

< 10 % < 1 % < 20 ppm

Quelle: Daimler Chrysler

LED-Technologie im AutomobilAnforderungen an LEDs


LED-Technologie im AutomobilZuverlässigkeit der Verbindungstechnologie

LED-Test-Board LED-Keramic

Lötstelle

Metallkern-platine {

Test Bedingungen:Temperature CyclingJESD22 A-104-40 / 125 °C, 1000 Cycles


LED-Technologie im AutomobilReversible thermische Degradation

Quelle: Fa. Lumileds

Temperaturabhängige Lichtstromabnahme weißer LEDs


LED-Technologie im AutomobilLangzeitdegradation (Lebensdauer)

Quelle : Fa. Philips-Lumileds

• Stromabhängig• Temperaturabhängig


Optik

Electronik

Optik

Design

Optik

Optik

Optik

LED-Lichtquelle

Optik

Aufbau- undVerbindungstechnologie

LED-Technologie im AutomobilNotwendige Komptenzen

Optik

Thermo-Management


Wellen-leiter

Linse

LED-Technologie im AutomobilÜbersicht über LED-Optiken

ReflektorDick-wand-optik

Projektor

Tec

hn

olo

gie

Bei

spie

l


LED-Technologie im AutomobilElektronik-Lösungen

WiderstandanalogeStromquelle DC/DC BoostDC/DC Buck Multichanel

Buck/BoostBuck / Boost

Complexness

I=konst.

SML and PO TFL/PL, BL and CL ABBL, FL and CL

UI UO UI UOUI UO UI UO

Bis zu 15 Watt LED Leistung

´

Topologie ist abhängig von der Zahl der LEDs

Bis zu 3 Watt LED-Leistung

Gra

dd

efS

tan

dar

tisi

eru

ng

Des

ign

Lich

tque

lleE

lect

roni

k


Luft-Strömungs-Simulation

Temperatur-simulation

Konvektion

Ventilator

Kühl-körper

LED

LED-Technologie im AutomobilThermo-Management


LED-Technologie im AutomobilLED Lichtquellen – Gehäuste Bauformen

4

Bedrahtete LEDs

Clinchbare LEDs

SMD LEDs

PLCC-Typen Keramische SMD-LEDs

Sonderformen

Multichip-LEDs

Low Power (<10 lm)Mid / High Power (10-100 lm)

High Power(100- 800 lm)


Schluss-/Bremslicht PO-Lichtmodul

CoB-Technologie

• Kompakte LED-Module

• hohe optische Packungsdichte

• Sehr gute thermische Anbindung

• Einsatzmöglichkeit bei hohen Temperaturen

Tagfahrlicht

LED-Technologie im AutomobilChip on Board - Technologie


LED-Technologie im AutomobilAmbientes Innenlicht / Orientierungslicht im 7er BMW


LED-Technologie im AutomobilSignalleuchten – CHMSL „LED ist Standard“


LED-Technologie im AutomobilAudi C6


LED-Technologie im AutomobilRealisierung von 3D-LED-Anordnungen

Quelle : Osram OptoSemiconductor

Vorteile der FPC-Technologie:

� ein Schaltungsträger

� Reduzierung der Bauteileanzahl

� Reduzierung der Schnittstellen

� Gewichtseinsparung

� Einsatz der 2D-Massen-Reflow-Löttechnik

Quelle : Osram Opto Semiconductor


LED-Technologie im AutomobilLichtleitertechnologie


Vielen Dankfür Ihre Aufmerksamkeit !

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Dr. Martin Rode

LED-Technologie im Automobil

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