Kfz-Beleuchtung LEDs für innovative Lichtsysteme

Seit den 90er Jahren wächst der Anteil der LED-Beleuchtung im Fahrzeug zusehends. Während LEDs aufgrund geringer lichttechnischer Anforderungen zunächst in der Heckbeleuchtung eingesetzt wurden, hielten sie mit steigenden Lichtwerten Einzug in die Fahrzeugfront.

Die Einführung der LED in Hauptlichtfunktionen wie Abblend- oder Fernlicht erfolgte zunächst in Premiumfahrzeugen wie dem Audi R8 und dem Cadillac Escalade Platinum und findet seitdem ihren Weg in zahlreiche Scheinwerfer. Nachdem erste Hürden, wie die Erreichung lichttechnischer Anforderungen, die Simulation und ein zuverlässiges Thermomanagement, erfolgreich überwunden wurden, steht die Automobilindustrie nun vor der Herausforderung, diese Technologie auch für die Volumensegmente verfügbar zu machen.

Die steigende Nachfrage nach LED-Produkten von Seiten der Fahrzeughersteller beruht allerdings weniger auf ökologischen oder ökonomischen Aspekten als vielmehr auf dem Bedürfnis nach einem individuellen Design, der Wartungsfreiheit und neuen Lichtfunktionen. Darüber hinaus steigt auch der Wunsch, am allgemeinen „Trend LED“ zu partizipieren – einem Trend der über alle Fahrzeugsegmente hinweg stetig zunimmt

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LEDs für innovative Lichtsysteme

Seit den 90er Jahren wächst der Anteil der LED-Beleuchtung im Fahrzeug. Während LEDs aufgrund geringer lichttechnischer Anforderungen zunächst in der Heckbeleuchtung eingesetzt wurden, hielten sie mit steigenden Lichtwerten Einzug in die Fahrleuchten.

Scheinwerferdesign und LED-Entwicklung

LEDs im Scheinwerfer haben dessen Architektur in den zurückliegenden Jahren dramatisch verändert. Während Scheinwerfer auf Halogen- oder Xenonbasis aus einer übersichtlichen Anzahl an Lichtquellen bestehen – in der Regel einem Abblend- und einem Fernlichtmodul –, so wird in heutigen LED-Scheinwerfern zum Teil die fünf- bis zehnfache Menge an Lichtquellen bzw. Lichtmodulen verbaut (Bild 1). Grund hierfür ist zum einen der steigende Wunsch nach adaptiven Lichtverteilungen, wie zum Beispiel einem Autobahn-, Landstraßen- oder Schlechtwetterlicht. Zum anderen steigt die Zahl der Lichtquellen auch aufgrund neuer Designanforderungen der Automobilhersteller. Ein Beispiel für letztgenannten Fall ist der Audi A8 Voll-LED-Scheinwerfer, bei dem allein das Abblendlicht aus zehn verschiedenen Lichtquellen erzeugt wird.

Mit dieser Aufsplittung einer Lichtverteilung für eine bestimmte Funktion auf mehrere Lichtquellen, ergeben sich optische Lösungen, bei denen jedes Lichtmodul für die Ausleuchtung eines bestimmten Bereichs auf der Straße zuständig ist. Das bedeutet, dass die Gesamtlichtverteilung aus mehreren Segmenten zusammengesetzt wird. Da für jedes dieser Segmente eigene optische Anforderungen bestehen, ergeben sich auch unterschiedliche Anforderungen an die Lichtquellen. Bei LEDs muss dies sich nicht nur auf den benötigten Lichtstrom beziehen, sondern kann auch unterschiedliche Ansprüche an die Geometrie der leuchtenden Fläche bedeuten. Beim Audi A8 wird die Abblendlichtfunktion beispielsweise durch 1-Chip- und 2-Chip-LEDs erzeugt. Beim Cadillac Escalade Platinum kommen hingegen 5-Chip-LEDs für das Abblend- und Fernlicht zum Einsatz.

Aufgrund der Vielzahl an geometrischen und optischen Anforderungen an die leuchtende Fläche einer Lichtquelle haben sich im Laufe der Zeit immer wieder neue LED-Bauformen ergeben (ein bis fünf Chips in einer Reihe, zwei Reihen mit jeweils drei Chips etc.). Aus der großen Anzahl an Bauformen ergeben sich allerdings auch neue Herausforderungen, unter denen zurzeit zwei grundsätzliche Themen eine besondere Rolle einnehmen. Zum einen unterliegen LEDs in ihrer Produktion nach wie vor Prozessschwankungen, die immer wieder Selektionen in den Bereichen Lichtstrom, Farbe und Spannung erfordern. Da die Verfügbarkeit von LEDs in bestimmten Selektionen der LED-Gesamtproduktionsmenge unterworfen ist, wird diese bei einer großen Anzahl verschiedenen Bauformen entsprechend erschwert. Zum anderen zeigen sich Herausforderungen auch aus der ständigen Weiterentwicklung speziell im Bereich der InGaN-Chip- und Phosphor-Technologie für weiße LEDs. Da LEDs immer heller werden, werden immer wieder neue Bauformen entwickelt. Je größer die Vielfalt an verschiedenen Bauformen ist, umso schwieriger gestaltet es sich, Änderungen und Abkündigungen zu handhaben. Um die stetig wachsende Anzahl an Bauformen zu kontrollieren, bietet es sich an, Viel- oder Multi-Chip-Anwendungen durch einzelne SMD-LEDs -zu ersetzen.

Dem stand bislang die Größe der verfügbaren SMD-LED-Bauteile im Weg. Speziell für viele Hauptlichtanwendungen, wie zum Beispiel das Abblendlicht, ist es häufig notwendig, dass die leuchtenden Flächen, also die Chips, sehr dicht beieinander positioniert werden. Mit den großen SMD-LED-Packages war dies bisher nicht möglich. Multi-Chip-LEDs auf Chip-on-Board-Basis wurden eingesetzt. Da sich jedoch in den vergangenen acht Jahren die Bauteilgröße der Packages auf rund ein Sechstel reduziert hat, ist man nun in der Lage, diesen Anforderungen teilweise gerecht zu werden (Bild 2). Ein großer, daraus resultierender Vorteil ist die Möglichkeit, mehrere Multi-Chip-Kombinationen auf einer Leiterplatte zusammen mit elektronischen Komponenten wie Kodierwiderständen, Thermosensoren, Steckern etc. gleichzeitig bestücken zu lassen.

Allerdings ergeben sich bei der Verwendung dieser miniaturisierten sogenannten CSP-LEDs (Chip Size Package) auch neue Herausforderungen an die Entwicklung der zu bestückenden Leiterplatten bzw. der LED-Baugruppe. Bei vielen dieser miniaturisierten LEDs handelt es sich um keramische Bauteile. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Leiterplattensubstraten und keramischer LED, kann es im Automotivebereich zu Brüchen an den Lötstellen oder den LED-Bauteilen selbst kommen. Eine geeignete Auswahl der Leiterplatten- und der Verbindungstechnologie für die jeweils zu verwendende LED ist daher notwendig.

Eine andere Schwierigkeit ist die immer geringere Größe der Optiksysteme, die aus der erhöhten Anzahl der Lichtquellen im Scheinwerfer und der höheren Leuchtdichte der LEDs resultiert. Damit diese Systeme noch dasselbe Lichtbild auf der Straße erzeugen, haben die kleinen Optiken einen entsprechend hohen Vergrößerungsmaßstab. Gibt es nun Abweichungen von der Idealposition mehrerer LEDs zueinander, werden diese Abweichungen entsprechend vergrößert auf die Straße projiziert. Dies führt zu Toleranzanforderungen an die LED-Position auf dem Schaltungsträger, der an die Grenzen der herkömmlichen SMD-Technologie stößt. Hierzu sind spezielle Auslegungen bei der Gestaltung der LED und des Lötpadlayouts auf der Leiterplatte zu beachten, um zum Beispiel das Einschwimmverhalten der LEDs zu optimieren.