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Infineon404164Titelstory

Ein deutscher Forschungsverbund mit namhaften Mitgliedern aus Industrie und Forschung hat die Grundlagen für einen intelligenten LED-Fahrzeugscheinwerfer mit hoher Auflösung entwickelt, der so genanntes adaptives Fahrlicht in eine neue Dimension bringt. Das Demonstrationsmodell wurde vom Gesamtprojektleiter Osram gemeinsam mit den Projektpartnern Daimler, Fraunhofer, Hella und Infineon entwickelt.


Jeder Scheinwerfer enthält drei neuartige LED-Lichtquellen mit jeweils 1.024 einzeln ansteuerbaren Punkten. Dadurch lässt sich das Scheinwerferlicht sehr genau an die jeweilige Verkehrssituation anpassen, so dass immer optimale Lichtverhältnisse herrschen, ohne andere Verkehrsteilnehmer zu blenden. Das Licht kann an jeden denkbaren Kurvenverlauf so angepasst werden, dass es keine dunklen Randbereiche gibt.

Mithilfe von Sensoren im Fahrzeug kann zudem das Umfeld analysiert werden, um andere Verkehrsteilnehmer ausreichend anzuleuchten. Dies macht sie für den Fahrer deutlicher wahrnehmbar. Gleichzeitig können aber die Köpfe entgegenkommender Verkehrsteilnehmer vom Lichtstrahl ausgespart werden, um zuverlässig deren Blendung zu vermeiden. Solch ein variables Fernlicht bräuchte daher auf der Landstraße nie mehr abgeblendet zu werden.

Vom BMBF gefördertes Projekt

Infineon10416Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt wurde mit der Herstellung und dem Feldtest von Scheinwerfer-Demonstratoren jetzt nach dreieinhalb Jahren erfolgreich abgeschlossen.

Bisher wurden bei adaptiven Scheinwerfern mehrere LED-Komponenten neben- und übereinander eingesetzt. Um das Ein- und Ausschalten von Licht-Segmenten zu bewerkstelligen, waren zusätzliche elektronische Komponenten notwendig. Die Zahl der Segmente war infolge des begrenzten Platzes im Scheinwerfer limitiert. Im neuen Ansatz ist die Elektronikansteuerung der LED in den Chip integriert. Für das intelligente Autolicht wurde entwickelte der Geschäftsbereich Osram Specialty Lighting in einem zweiten Schritt rund um den hochauflösenden LED-Chip ein LED-Modul, das mit seiner elektrischen und thermischen Schnittstelle die direkte Anbindung an die Fahrzeugelektronik ermöglicht.

Erfasst kontinuierlich Fahr- und Wettersituationen

Beim Einsatz eines intelligenten und hochauflösenden Scheinwerfers, dessen Machbarkeit nun in dem Projekt erfolgreich demonstriert wurde, werden die Fahr- und Wettersituationen kontinuierlich analysiert: Wie ist der Straßenverlauf, wie hoch die Geschwindigkeit, kommt Gegenverkehr und wie ist der Abstand zu anderen Verkehrsteilnehmern? Darauf basierend sorgt die variable und adaptive Lichtverteilung in jeder Situation für eine passgenaue Beleuchtung.

Bei höherer Geschwindigkeit vergrößert sich beispielsweise automatisch auch die Reichweite des Lichtkegels. Im Stadtverkehr bringt hingegen eine breitere Lichtverteilung mehr Sicherheit, die zusätzlich zur Straße auch den Bürgersteig und Randbereiche besser ausleuchtet. Diese Funktionen werden vollelektronisch ohne mechanische Stellmotoren realisiert. Beim blendfreien Fernlicht bekommt der Fahrer stets die bestmögliche Sicht bei Nacht – ohne andere Verkehrsteilnehmer zu beeinträchtigen. Das bedeutet für den Autofahrer ein deutliches Plus an Wahrnehmung und ist ein wichtiger Beitrag zur Verringerung des Unfallrisikos bei Nachtfahrten.

Intelligente Treiberschaltung im LED-Chip

Die Infineon Technologies AG entwickelte die intelligente Treiberschaltung im neuartigen LED-Chip. Mit ihr lässt sich jeder einzelne der 1024 Lichtpunkte individuell ansteuern. Das Design ermöglicht es, dass diese im LED-Chip direkt mit dem über ihr liegenden lichtemittierenden LED-Array zu verbinden ist. Die speziellen Anforderungen der neuartigen Verbindungstechnik mussten dabei mit den Fertigungstechnologien für LED-Treiber in Einklang gebracht werden.

Homogenes Lichtbild

Infineon20416Die Hella KGaA Hueck & Co spezifizierte ausgehend von den funktionalen Anforderungen von Daimler die wesentlichen technischen Anforderungen an die Lichtquelle. Der Licht- und Elektronikspezialist entwickelte das gesamte optische System der Lichtmodule sowie deren Entwärmungskonzept und baute die Prototypenscheinwerfer auf. Diese erzielen eine sehr hohe Systemeffizienz und erzeugen ein ausgesprochen homogenes Lichtbild bei gleichzeitig guter Abbildungsqualität der einzelnen Lichtpunkte.

Die unterschiedlichen Lichtbilder können damit rein elektronisch und somit ganz ohne mechanische Aktoren erzeugt werden. Dies ist ein Schritt in Richtung Digitalisierung im Lichtbereich.

Berücksichtigung künftiger Sensorik und Architektur

Von der Daimler AG wurden im Forschungsprojekt die funktionalen Anforderungen und die zukünftigen Fahrzeugeigenschaften für das Scheinwerfer-Gesamtsystem spezifiziert. Daraus ergaben sich die Komponenten und die Moduleigenschaften für das Scheinwerfer-Gesamtsystem, das unter Berücksichtigung künftiger Sensoren und Fahrzeug-Architekturen die optimale Lichtverteilung berechnet und an die Pixel-Scheinwerfer weitergibt. Im Hinblick auf zukünftige Elektrofahrzeuge stellte auch das Thema Energieeffizienz eine wesentliche Anforderung an die neu entwickelte LED. Für die Erprobungstests im Realverkehr war ein Fahrzeug des Automobilisten mit den intelligenten LED-Scheinwerfern im Einsatz. In der aktuellen Mercedes-Benz E-Klasse arbeiten „Multibeam“ LED Scheinwerfer mit je 84 einzeln ansteuerbaren Hochleistungs-LED.

Außergewöhnlich miniaturisierte Anschlusstechnik

Infineon30416Fraunhofer brachte in das Projekt seine Kompetenz zu Verbindungstechnik (LED & ICs) und Materialien sowie zur Erkennung und Isolation von Defekten ein. Die sehr hohe Auflösung gelang durch eine noch feinere Strukturierung mit einer außergewöhnlichen, miniaturisierten Anschlusstechnik. Hierzu wurden am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM LED-Arrays mit 1024 Pixeln auf eine aktive Treiberschaltung montiert, die jeden Pixel individuell ansteuert. Bei einer extrem guten Entwärmung wurden die Chips so aufgebaut, dass sie den Ausgleich einiger Mikrometer Höhenunterschied ermöglichen. Dabei wurden zwei Technologievarianten parallel untersucht: das Thermokompressions-Bonden mit nanoporösem Goldschwamm und das Reflowlöten mit hoch zuverlässigem Gold-Zinn. Beide Montagetechniken wurden erfolgreich mit hoher Ausbeute angewandt und bewiesen ein robustes Interface für nachfolgende LED-Prozesse.

Zu den technologischen Herausforderungen des hochauflösenden LED-Scheinwerfers gehört der vergleichsweise große Chip mit 1024 einzeln ansteuerbaren Pixeln. Denn mit zunehmender LED-Chipgröße steigt bei der Herstellung das Risiko für ein Versagen oder eine niedrigere Leuchtkraft einzelner Lichtpunkte innerhalb der Pixel-Matrix. Um dieser Problematik zu begegnen, hat das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF eine neue Technologie zur Reparatur von Defekten während des laufenden Herstellungsverfahrens entwickelt.

Mit ultravioletter Laser-Mikrobearbeitung Defekte reparieren

Sie baut auf ultravioletter Laser-Mikrobearbeitung auf und ermöglicht die Reparatur von Defekten in LED-Chips im laufenden Herstellungsprozess. Und so funktioniert das Verfahren: Die mikroskopischen Defektbereiche werden identifiziert und mit einem UV-Laser durch behutsame Materialabtragung entfernt oder elektrisch isoliert, ohne dass der Laser versehentlich neue Defekte, sogenannte „Leckstrom-Pfade“, verursacht. Nach der Bearbeitung erstrahlen die reparierten Pixel wieder mit voller Leuchtkraft – das „Lumineszenzbild“ ist wieder homogen.

Der wirtschaftliche Nutzen der Laser-Mikrobearbeitung liegt nicht nur in der Reduzierung der Defekte während der Produktion und in der Folge sinkendem Ausschuss, was niedrigere Herstellungskosten der großflächiger LED-Chips bedeutet: Das Verfahren kann die durchschnittliche Lebensdauer der LED erhöhen.

Das Projekt μAFS wurde durch das BMBF unter dem Förderkennzeichen 13N12510 gefördert und lief von Februar 2013 bis September 2016.
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