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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
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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.
Umsatz*: €1,200 mill.
Sensoren
Fahrer Assistenz Systeme
Body Electronik
Aktuatoren
Energie Management
E/E Architekturen
Aftermarket & Special OE3.
Umsatz*: €1,200 mill.
Weltweite AftermarketOrganisation :
LichtElektrik /Elektronik
Klima Special OE
*) Figures including JVs
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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
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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 Automobil / M. Rode / 05.11.20086Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
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 Automobil / M. Rode / 05.11.20087Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
LED-Technologie im AutomobilStyling: Bedeutung für den Endkunden (Deutschland)
Einflussfaktoren bei der Kaufentscheidung von Autokunden
Verbesserungdurch LED-Scheinwerfer
LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.20088Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
Fernlicht
LED-Technologie im AutomobilVoll-LED-Scheinwerfer, Cadillac Escalade Platinum
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LED-Technologie im AutomobilMarketing Approach: Licht-Farbe
Halogen
Xenon
LED
Hohes Potenzial zur Differenzierung: Licht-Farbe
Tageslicht (mittags)
LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.200810Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
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
LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.200811Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
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 Automobil / M. Rode / 05.11.200812Confidential.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 Automobil / M. Rode / 05.11.200813Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
LED-Technologie im AutomobilAtommodell
Energieniveaus desWasserstoffatoms
Lebensdauer ca. 10E-8 s
LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.200814Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
• 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
LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.200815Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
• 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
LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.200816Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
• 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
LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.200817Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
• 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
LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.200818Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
• 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 Automobil / M. Rode / 05.11.200819Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
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 Automobil / M. Rode / 05.11.200820Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
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 Automobil / M. Rode / 05.11.200821Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
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 Automobil / M. Rode / 05.11.200822Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
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 Zuskaukas et al.
Nach Justel et al.
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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 Automobil / M. Rode / 05.11.200824Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
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)
nach Zuskaukas et al.
η(ext)=4%η(ext)=8%
η(ext)>24%SeitlicherAustritt
•
TransparentesSubstrat
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LED-Technologie im AutomobilEffizienz - Bauformen für mehr Lichtaustritt
• Anpassung der Geometrie des Halbleiter Chips
nach E.F. Schubert
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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
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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
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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 Automobil / M. Rode / 05.11.200829Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
LED-Technologie im AutomobilAnforderungen an LEDs
Temperatur
FeuchtigkeitChemikalien
Mechanische
Beanspruchung
Strom/Spannung
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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
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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
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LED-Technologie im AutomobilReversible thermische Degradation
Quelle: Fa. Lumileds
Temperaturabhängige Lichtstromabnahme weißer LEDs
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LED-Technologie im AutomobilLangzeitdegradation (Lebensdauer)
Quelle : Fa. Philips-Lumileds
• Stromabhängig• Temperaturabhängig
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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 Automobil / M. Rode / 05.11.200835Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
Optik
Electronik
Optik
Design
Optik
Optik
Optik
LED-Lichtquelle
Optik
Aufbau- undVerbindungstechnologie
LED-Technologie im AutomobilNotwendige Komptenzen
Optik
Thermo-Management
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Wellen-leiter
Linse
LED-Technologie im AutomobilÜbersicht über LED-Optiken
ReflektorDick-wand-optik
Projektor
Tec
hn
olo
gie
Bei
spie
l
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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
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LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.200838Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
Luft-Strömungs-Simulation
Temperatur-simulation
Konvektion
Ventilator
Kühl-körper
LED
LED-Technologie im AutomobilThermo-Management
LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.200839Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
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)
LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.200840Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
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 Automobil / M. Rode / 05.11.200841Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
LED-Technologie im AutomobilAmbientes Innenlicht / Orientierungslicht im 7er BMW
LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.200842Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
LED-Technologie im AutomobilSignalleuchten – CHMSL „LED ist Standard“
LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.200843Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
LED-Technologie im AutomobilAudi C6
LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.200844Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
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 Automobil / M. Rode / 05.11.200845Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
LED-Technologie im AutomobilLichtleitertechnologie
LED-Technologie im Automobil / M. Rode / 05.11.200846Confidential.The Contents may only be passed on, used or made known with our express permission. All rights reserved.
Vielen Dankfür Ihre Aufmerksamkeit !
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Dr. Martin Rode
LED-Technologie im Automobil