CC BY
138Вольфганг ПОЛЬМАНН (Wolfgang POHLMANN), к. т. н.
[email protected] Перевод: Андрей НОВИКОВ
Применение светодиодов
в автомобиле
Современные технологии монтажа и контактирования открывают все больше возможных применений для светодиодов. В данной статье подробно представлены соответствующие решения в автомобиле и описаны особенности специализированных концептов монтажа светодиодов. Наряду с главной проблемой теплоотвода необходимо учитывать оптические требования.
Введение
Светодиоды применяются для освещения салона автомобиля, а также в передних и задних фарах [1-3]. Преимущества светодиодов по сравнению с обычными лампами накаливания относительно срока службы, эффективной мощности и необходимого пространства для монтажа могут быть рационально использованы только с помощью оптимальных технологий монтажа и контактирования. Увеличение комплексности и зачастую неблагоприятные условия монтажа предъявляют высокие требования к использованию электронных модулей со светодиодами. Цель — разработка недорогой технологии монтажа с гарантией долгосрочной надежности при эксплуатации автомобиля более 15 лет.
Ввиду больших различий монтажа модулей для освещения в салоне, внешнего переднего и заднего освещения разработаны всевозможные технологии монтажа светодиодов в автомобиле — от монтажа светодиодов на штампованной решетке и технологии поверхностного монтажа на гибких платах до матриц светодиодов с монтажом по технологии СоВ (СЫр-оп-ВоаЫ).
Применение светодиодов в салоне автомобиля
Сегодня широко применяются светодиоды в салоне автомобиля. Они используются для подсветки приборной панели и комбинаций приборов. Светодиоды также используются, например, в качестве фонаря для чтения и фонарей подсветки дверных проемов, для освещения пространства для ног, для подсветки передней части дверей и основного освещения салона.
Пространство для монтажа, как правило, ограничено. Блок управления светодиодами и сами светодиоды должны быть размещены на одной плате. Зачастую применяется трехмерное размещение светодиодов. На рис. 1 показан фонарь для чтения. В связи с приме-
нением мощных светодиодов с большими потерями тепла в светодиодах используется керамический субстрат с толстопленочной технологией. По сравнению с печатной платой керамика обладает более высокой теплопроводностью и обеспечивает хорошее распределение мощности потерь светодиодов.
На рис. 1 представлен также модуль светодиодов для подсветки передней части двери. В качестве субстрата в данном случае использована гибкая плата из полиимида с частичным увеличением жесткости с помощью алюминия. Свет от двух светодиодов направлен напрямую в волновод.
Применение светодиодов в качестве задних фонарей
Почти все верхние лампы стоп-сигналов (CHMSL — Central High Mounted Stop Lamps) оснащаются светодиодами. Преимущество их применения по сравнению с обычными лампами заключается в компактности, долгом сроке эксплуатации, нечувствительности к вибрации и сотрясению, а также в быстрой реакции светодиодов. Разница в реакции составляет примерно 135 мс. Это означает сокращение дистанции торможения на 4 метра при скорости в 100 км/ч и представляет тем самым значительное увеличение надежности восприятия.
На рис. 2 представлены варианты монтажа CHMSLs. Начало подобного использования светодиодов было положено в 1992 году. Тогда использовались светодиоды диаметром 3 или 5 мм с технологией монтажа в отверстия. За счет мощности и улучшенного теплоотвода получили применение светодиоды Piranha компании-производителя LumiLEDs. Однако в настоящее время доминирует технология поверхностного монтажа. Для производства особенно плоских фонарей возможно использование технологии CoB (Chip-on-Board).
Так как управление светодиодами располагается, как правило, на том же основании,
Рис. 2. Концепты субстратов для CHMSLs (5 мм LED с технологией THT, Piranha LED с технологией THT, TopLED с технологией SMD, Chip-on-Board, PointLED с технологией SMD)
Рис. 3. Задний свет автомобиля марки ВММ 5-й серии с модулем оптического световода для заднего фонаря и технология РРС для мигающего света
ШШЯШк 1 LED Ceramic ■
,а БТт*-У-т-т- f и i t И II ¡ í . . É • •• II 4 Ф • é • • # ♦ ♦ Solder Joint ^
‘Mi • « aa ai * ♦ • t fJPPPR 3 %
• • • «
В
Рис. 4. а) Тестовая плата со светодиодами; б) паяное соединение после старения (тест ТС согласно ]Б3022 А-104, —40...125 °С, 1000 циклов)
что и сами светодиоды, в данном случае необходима последовательность операций с применением технологий CoB и поверхностного монтажа. Альтернативно ультрапло-ские фонари могут быть смонтированы с применением так называемых PointLED светодиодов компании Osram OS. В данном случае часть светодиода утапливается в просверленное в печатной плате отверстие.
Увеличивается применение светодиодов в задних фонарях, особенно в автомобилях среднего класса и класса люкс. Наряду с уже названными преимуществами технологии светодиодов этому способствуют новые возможности внешнего оформления задней части автомобиля. В комбинации с инновациями в производстве светопроводящих элементов и систем отражения также будет возможно практическое осуществление идей, целью которых в первую очередь будет создание характерного внешнего вида автомобиля определенной марки.
Для возможности следования за наклоном автомобиля, в том числе в направлении продольной оси, зачастую необходимо трехмерное размещение светодиодов. Для трехмерного размещения светодиодов, как правило, применяются гибкие платы с частичным или полным увеличением жесткости. Хорошим примером является представленный на рис. 3 задний фонарь автомобиля BMW 5-й серии.
Сигнальные функции в передней части автомобиля
Наряду с развитием мощных белых светодиодов также увеличивается применение полупроводниковых технологий для светового излучения в автомобильных фарах. Различают сигнальные функции и функции основного освещения.
К сигнальным функциям относятся: фонари указателей поворотов, позиционные фонари, боковые маркировочные огни и дневные фары. При включенных дневных фарах, которые бесспорно значительно увеличивают надежность восприятия, наиболее полно используются новые возможности технологии светодиодов. Максимально важны при этом долгий срок эксплуатации и высокая эффективность мощности светодиодов. Несмотря на то, что пробег автомобиля днем значительно превышает пробег в ночное время, полностью отпадает необходимость замены лампы на протяжении всего срока эксплуатации автомобиля.
Использование светодиодов при дневном свете характерно очень низким потреблением энергии, 2x4 Вт на автомобиль, по сравнению с галогенным ближним светом с расходом энергии около 2x60 Вт. К 2012 году практически все автомобили класса премиум будут оснащены светодиодными фарами с сигнальными функциями.
Для сигнальных функций в фарах обычно используются светодиоды со средней (0,5-1 Вт) и высокой (>1 Вт) мощностью. В общем под светодиодами подразумеваются люминесцентные источники света. Светодиоды весьма термочувствительны.
При рассмотрении характеристик светодиода в широком температурном диапазоне, с одной стороны, происходит смещение излучаемого спектра волн, а с другой — уменьшение светового потока при повышении температуры, так называемая температурная деградация. Кроме того, при увеличении температуры p-n-перехода сокращается срок службы светодиодов. Увеличение температуры p-n-перехода на 13% ведет к сокращению срока службы светодиодов примерно в 4 раза [4].
Так как от 10 до 15% электрической энергии преобразуется в используемую энергию света, мощность потерь светодиода должна быть эффективно отведена от чипа светодиода и рассеяна в окружающей среде. При производстве светодиодов важно продумать концепцию отвода тепла внутри корпуса. Главная задача производителя заключается в осуществлении минимального переходного теплового сопротивления между p-n-переходом и внешними контактами компонента. Не каждый материал корпуса светодиодов пригоден для дальнейшего применения компонента в автомобильной электронике. Так, например, светодиоды в керамическом корпусе обладают, как правило, очень хорошими температурными характеристиками. Однако вследствие небольшого температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) керамический субстрат по сравнению с печатной платой с изолированной металлической подложкой (IMS — Insulated Metal Substrate) ведет к отказу паяных соединений в температурном диапазоне от -40 до 125 °С (рис. 4).
Даже для светодиода с наиболее эффективным внутренним теплоотводом необходима разработка дополнительной системы внешнего теплоотвода, особенно при его применении в качестве фары автомобиля. Ключевой вопрос разработки системы теплоотвода — эффективная передача тепла от рассеивателя или внешних контактов светодиода в окружающую среду. В качестве монтажной платы для светодиодов в области автомобильной электроники получили распространение упомянутые выше субстраты IMS. Подобный субстрат состоит из слоя меди, который покрыт изоляционным слоем диэлектрика. В дополнение к IMS-субстрату иногда бывает необходимо применение также внешнего теплоотвода. На рис. 5 показан модуль позиционного фонаря, изготовленный по технологии IMS. Для лучшего теплоотвода необходима дополнительная алюминиевая пластина.
Другой метод улучшения теплоотвода — применение многослойных печатных плат (с двумя или четырьмя слоями) с так назы-
Рис. 5. Модуль ближнего-дальнего света в современных автомобилях марки Daimler серии E
Рис. 6. Модуль дневного освещения
автомобиля Аи^ серии [РБ 6:
комбинация из жесткой и гибкой печатных плат
ваемыми теплоотводными сквозными отверстиями (Thermal Vias). В данном случае металлизированные сквозные отверстия обеспечивают быстрый отвод тепла от компонента. В многослойных печатных платах организация теплоотвода может быть дополнительно улучшена за счет соединения сквозных отверстий с внутренними медными слоями. Подобные печатные платы могут быть также прикреплены к медным или алюминиевым пластинам. Для соединения печатных плат и теплоотводных пластин используются специальные клеи PSA (Pressure Sensitve Adhesive) или распространенные в технологии производства печатных плат препреги. Для трехмерного размещения светодиодов также используются гибкие субстраты (FPC — Flexible Printed Circuit) с частичным увеличением жесткости с помощью алюминиевых элементов для оптимизации теплоотвода. В связи с повышенной температурой в фарах автомобилей используются, как правило, гибкие платы из полиимида. На рис. 6 показано применение гибкой печатной платы в модуле дневного света.
Функции основного освещения с применением технологии светодиодов
К функциям основного освещения относятся ближний и дальний свет, а также дополнительные функции (AFS — Advanced Frontlighting System), как, например, освещение в поворотах, освещение при движении на автомагистрали и т. д. Главная причина серийного производства полностью светодиодных фар заключается в разнообразных возможностях дизайна и высоком потенциале дифференциации от применяемых в настоящее время систем отражения и проекции. В качестве дополнительного преимущества следует также отметить цвет освещения. Светодиодные фары имеют цветовую температуру от 5500 до 6000 К и тем самым находятся на уровне дневного света. Типичная цветовая температура галогенных фар составляет 3200 К, а ксеноновых фар — 4000 К.
На рис. 7 показана полностью светодиодная фара автомобиля Cadillac Escalade Platinum. Это первый в мире спортивный автомобиль
(SUV — Sports Utility Vehicle), оснащенный осветительной техникой будущего. Полностью светодиодные фары реализованы с помощью различных трансмиссионных оптических элементов. В этих фарах используются проекционные линзы из стекла со свободной формой, которые отвечают за определенную часть распределения освещения дороги за счет индивидуальных оптических характеристик. Из семи стеклянных линз фары только две имеют одинаковую конструкцию, все остальные отличаются друг от друга.
Ближний свет создается пятью расположенными друг под другом и заключенными в корпус фары линзами. В верхней части находится круглая проекционная линза диаметром 60 мм, за счет чего создается дальность ближнего света на правой проезжей стороне дороги (асимметричная область освещения). Расположенные ниже четыре линзы из стекла в форме подушек отвечают за симметричное распределение основного освещения и освещения области перед автомобилем. Дневное освещение создается с помощью убавленного ближнего света. За дальний свет отвечают две дополнительные линзы со свободной формой, расположенные также в корпусе фары. Распределение света данной фары представлено на рис. 8.
В качестве источников света для ближнего и дальнего света были разработаны многочиповые светодиоды. Специальное размещение чипов светодиодов и геометрия корпуса позволяют создавать границу светотени без дополнительного механического затенения. Необходимая высокая концентрация световой энергии реализована с помощью пяти полупроводниковых микрочипов в минимальном объеме. Это ведет к локализации высоких потерь мощности. Монтаж светодиодов требует применения монтажных плат с высокой теплопроводностью, в данном случае в качестве материала субстрата был использован нитрид алюминия. Сравнение различных материалов представлено в таблице.
Таблица. Свойства материалов субстратов с высокой теплопроводностью
Субстрат Теплопро- водность, [В/м-K] Предел прочности при растяжении [МПа] ТКЛР, [ppm] Плот- ность, [г/см3]
А!20з (96%) 24 416 7,2 3,98
А!А(99,6%) 33 517 7,2 3,94
AlN 170 350 4,6 3,28
SI3N4 60 700 2,7 3,2
LTCC 2,7-3,3 270 8,0 2,5-3,1
SI 151 4,2 2,3
BeO 255 250 7,6-8,5 2,9
Рис. 9. Активная организация теплоотвода с помощью систематического обдувания фары
Рис. 10. Технология матрицы светодиодов: а) неслепящий дальний свет с помощью технологии матрицы светодиодов (принцип); б) свободно адрессируемая матрица светодиодов (прототип); в) пример распределения света с модуляцией по интенсивности, созданной с помощью матрицы светодиодов
Применения субстратов с высокой теплопроводностью обычно недостаточно. Для лучшего отведения тепла на теплоотводе монтируются многочиповые светодиоды. Для активного охлаждения фары автомобиля Cadillac Escalade Platinum специально разработан вентилятор большой мощности. За счет направленного потока воздуха внутри фары возникающее тепло потерь светодиодов используется для поддержки оттаивания и устранения обледенения корпуса фары (рис. 9).
Новые адаптивные функции освещения
Новые адаптивные функции, которые с 2012 года в комбинации технологии светодиодов с передними видеокамерами и прочими сенсорами будут обеспечивать наблюдение окружающей среды автомобиля, дополнительно увеличивают пользу светодиодов в фарах.
В будущем в качестве источников света в фарах будут использоваться матрицы светодиодов (электронные модули), представленные на рис. 10. Они состоят из многих отдельных адрессируемых чипов светодиодов, которые будут располагаться на монтажной плате. Отдельные чипы будут управляться
с помощью модуляции ширины импульса. Это позволяет, с одной стороны, создавать направленное включение и выключение чипов светодиодов и образование светотеней различных геометрических форм, а с другой — осуществлять модуляцию интенсивности в распределении света. Наряду с осуществлением адаптивных функций света (AFS — Adaptive Frontlighting System) без механических элементов матрицы светодиодов в комбинации с новейшими автомобильными сенсорами и электронным управлением позволяют реализовать такие функции, как, например, маркировочный свет или неслепящий дальний свет.
Выводы
За последние 15 лет светодиоды прошли путь от простых потребительских товаров до применения в автомобилях. В прошлом для реализации сигнальных функций в передних и задних фарах автомобиля было достаточно имеющихся в распоряжении мощностей и цветов светодиодов. Следующий шаг станет реальностью в конце этого года. Получит серийное применение белых многочиповых светодиодов для ближнего и дальнего света в фарах нового автомобиля Cadillac Escalade Platinum. С этим шагом
начинается новая эра использования светотехники в автомобилях.
Технология светодиодов открывает новые обширные возможности дизайна автомобилей и тем самым дает большой потенциал дифференциации для производителей автомобилей. Эти возможности дизайна могут быть реализованы только с помощью пригодных к области автомобилестроения технологий монтажа. В связи с различными местами расположения модулей светодиодов применяются технологии монтажа и контактирования из таких областей, как силовая электроника, мехатроника, оптоэлектроника и микроэлектроника.
Примечание. Оригинал статьи опубликован в журнале PLUS (Produktion von Leiterplatten und Systemen. 2008. N 6. Германия). ■
Литература
1. Pohlmann W. LED-Module für Automotive Anwendungen, SMT/Hybrid/Packaging, Tutorial 14, Juni 2006.
2. Vietner D. LEDs für Signalfunktionen im Automobil, Automobil-Elektronik, August 2007.
3. Eichhorn K., Götz M., Himmler A., Roslak J. Aktives Licht — Innovative Ansätze für die nächste Scheinwerfer-Generation, ATZ 107 (2005), N 11.
4. Barker A. Solving the System-Level Thermal Management Challenges of LEDs, Whitepaper, Flomerics, December 2007.
