不一样的LED技术：特斯拉灯光技术解密
|
2021年12月24日，特斯拉为车主们推出重磅更新，车机v11全新UI和FSD Beta V10.8版本，更新后车主惊喜发现增加了灯光秀功能，其中前大灯打出“TESLA”的图案时，让人甚为惊叹。 一部分原因是此前特斯拉并未在宣传中强调此事，让人看到此种情形，瞬间惊喜万分;另外一部分原因是，不管是矩阵式LED大灯还是激光大灯，基本是“灯厂”-奥迪的噱头，由于成本高昂，加装费用不菲，离普通消费者还比较遥远，而特斯拉在二三十万起步的Model3和ModelY车型中标配，应该说是比较良心的。与朋友圈中的热闹展示相反的是，特斯拉行事如此低调，让人觉得此事绝非简单。 笔者从事LED行业多年，出于技术上的好奇，通过多方查证相关公开资料，希望能还原了特斯拉前大灯光源的技术路线。  TESLA大灯效果 公开资料显示，特斯拉的车大灯由德国著名零配件供应商HELLA制造，其中发光单元的供应商为三星电子。 “2021年4月，三星半导体发布新一代车载光源 PixCell LED 模组，此产品将应用于汽车的智能大灯。  三星半导体表示，最新研发的 PixCell LED 是适用于车载智能大灯的超小型 LED 解决方案，通过更小的发光面积和明暗对比，可以实现照明控制。 此外，三星的产品将发光面积减少到普通智能大灯的 1/16，使整个灯的体积变小，有助于提高汽车燃油效率，还增加了车灯的设计灵活度。”   PixCell LED模组(图片来源：三星电子官网) 从国内研究机构-车灯研究院发布的拆解分析看，特斯拉确实采用的是三星电子的PixCell LED技术。因此，有必要深挖一下该技术。  特斯拉车大灯拆解光源(图片来源：车灯研究所) PixCell LED为了提升显示效果，防止相邻光源串扰，每个像素之间设立了硅墙隔板。  PixCell LED(图片来源：三星电子官网) 从最终的显示效果看，PixCell LED中的每个像素单元实现了单面出光效果。根据以往的认知，能够实现这种发光效果的，芯片段主要是薄膜型芯片，例如垂直型薄膜芯片、倒装型薄膜芯片(TFFC)芯片等;封装端也可以采用倒装芯片 CSP(Chip Scale Package)技术，将芯片四周的光通过白墙的遮挡和反射，使得侧向光反射到正面，也可以实现单面出光的效果。 PixCell LED看起来与CSP技术似乎有类似的地方，不过是用硅墙取代了白墙(钛白粉等高反射材料)，且从宣传的示意图看，硅墙高度更高、荧光膜在硅墙上并没有覆盖。这种设计，实际是减少了像素串扰，提高了像素的分辨率。 为了进一步弄清PixCell LED是如何实现的，我们多方查询，最终查询到了三星最近公开的一件专利： 公开专利号：US17373038 专利名称：LIGHT-EMITTING DEVICES HEADLAMPS FOR VEHICLES AND VEHICLES INCLUDING THE SAME 该专利详细介绍了PixCell LED核心发光器件的基本设计理念： 基本设计思路采用倒装薄膜芯片技术(TFFC)以及晶圆级封装(WLP)理念。  硅衬底1000通过腐蚀形成硅墙120  并在硅墙侧壁制作了反光层72  硅墙内填充了光转材料74，实现了晶圆级封装  实际TFFC的电极是通过引线引出的，这种设计超越了TFFC的设计范畴，将晶圆级封装技术又向前推进了一步。  从工艺流程和最终设计看，三星PixCell LED采用的是硅衬底外延工艺，芯片架构采用带有硅墙的类TFFC结构，通过晶圆级封装Wafer Level Package(WLP)技术做成白光芯片。 尽管专利中并没有局限在硅衬底，但实际蓝宝石和碳化硅衬底都比较难具备这种衬底选择性去除的效果，以及硅衬底天然不透明，有利于防止相邻芯片串光干扰。 该专利呈现的内容具备较高的创新性，可以拓展开发者的视野，该方案对长期从事薄膜芯片开发的从业者来讲，实现起来可能并没有想象中的复杂，但确实比较新颖。当然，要达到车规级，且打入前装市场，应该是要花不小精力和投入。 与目前比较成熟的蓝宝石和碳化硅上氮化镓外延相比，该方案采用的GaN-On-Si(硅上氮化镓)外延技术，由于氮化镓与硅晶格失配较大，导致该技术路线生长的氮化镓晶体质量较差。晶体质量上的差距在一定程度上会体现到可靠性和性能上。从用户反馈看，特斯拉车主升级灯光秀后个别存在大灯烧毁的问题，不排除或许与此相关。 从某种意义上讲，三星的PixCell LED能够得到头部车企的认可，打入汽车前装市场，对基于硅衬底的GaN-On-Si技术来讲，绝对是一个具备里程碑意义的事件。 也许特斯拉事先知道GaN-On-Si技术方案存在一定风险，但确实可以实现更小的发光面积和明暗对比。因此，特斯拉采用该技术符合其一贯的技术驱动的行事风格。 PixCell LED除了采用GaN-On-Si技术外，还结合了Wafer Level Package(WLP)、Thin Film Flip Chip(TFFC)、Drive On Board(DOB)等技术，并将其向前进行了演化和推进。PixCell LED是三星电子在发光芯片领域和半导体领域交叉创新的结晶，其创新视野和创新能力值得国内厂商借鉴和学习。 当然，GaN-On-Si技术不是实现矩阵式LED大灯的唯一途径，例如以激光剥离技术来实现TFFC芯片，国内乾照光电、三安光电、易美芯光等在薄膜性芯片领域深耕多年，利用成熟的蓝宝石激光剥离技术，也可以有对应的方案呈现。且从光效和可靠性方面来讲，基于蓝宝石激光剥离技术的薄膜芯片会比硅衬底LED技术更加具备优势。
来源：LEDinside 作者：曲晓东 |
