Laserdioden für Autoscheinwerfer: Licht wann und wo es sein sollte

Neben industriellen Anwendungen haben auch die Unterhaltungselektronik und die Automobilindustrie die Vorteile der Laserdioden-Technologie erkannt. Ein Paradebeispiel für diesen Paradigmenwechsel sind Laserprojektoren – die effizienten Lichtquellen ermöglichen die Miniaturisierung von Projektoren und lassen sich gleichzeitig mit höheren Stromstärken betreiben.

Nichia forscht und entwickelt bereits seit 20 Jahren im Feld der Lasertechnologie. Ein Fokus dabei war die Entwicklung über die klassischen Rot, Grün, Blau (RGB)-Laser hinaus. Das Ziel war weißes Breitbandlicht auf Laserbasis. Nun hat der Hersteller eine neue Laserdiode (LD) für Autoscheinwerfer auf den Markt gebracht, die auf einer kleinen SMD-Keramikeinheit mit zwei Chips, einem eingebauten Thermistor und einem integrierten Sicherheitssensor basiert. GigaWhite Gen2 Typ NUW9A1 heißt das erste Produkt mit dieser Technologie, das ergänzend zu LEDs Designern und Konstrukteuren die Entwicklung kompakterer Scheinwerfer mit hoher Leuchtkraft ermöglicht.

Dadurch können Hersteller von Scheinwerfern die Laserdiodenverteilung und den Lichtstrahl präzise steuern, um das Licht genau zur richtigen Zeit an den richtigen Ort zu projizieren. Für das menschliche Auge ist je nach Fahrbedingungen eine Sichtweite im mittleren Entfernungsbereich erforderlich. Angesichts des Trends zur Integration von Sensoren und Kameras für die Erkennung von Signalen und Verkehrszeichen beim autonomen Fahren, ist weißes Licht für eine Sichtbarkeit auf mittlere bis weite Entfernung nötig. Bild 1 vergleicht die Reichweiten der Straßenausleuchtung mit verschiedenen Technologien.

Die Laserindustrie erwartet schon seit Jahren eine LD in SMD-Bauweise. Die Einführung der GigaWhite Gen2 auf dem Automobilmarkt mit einer kleinen Keramikeinheit von etwa 9 × 10 × 2,5 mm³ hat vor allem das Design und die Produktion von Scheinwerfern beeinflusst. Dank der SMD-Lösung wird die Kontaktfläche des LD-Chips vergrößert. So werden die LD-Chips für ein optimales Wärmemanagement direkt in Kontakt mit der Unterseite des Gehäuses näher am Heatspreader positioniert. Die Kühlkörper lassen sich durch den Wegfall von Einstecklöchern vereinfachen – ein Vorteil gegenüber dem bisherigen LD-CAN-Typ mit Stiftbauweise.

Darüber hinaus ermöglicht das Keramikgehäuse, das zu einer besseren Wärmeableitung beiträgt, schlankere Kühlkörper, was zu einer Kosten- und Gewichtsreduzierung und damit zu verminderten CO₂-Emissionen führt. Außerdem sind SMD-LD-Baugruppen ausfallsicherer im Vergleich zu Laserdioden in CAN-Bauweise. Die kritischsten Ausfälle durch gebrochene Steckerstifte – die anfälligste Komponente einer CAN-LD – fallen weg. Damit trägt diese technologische Verbesserung erheblich zu einer besseren Produktionsausbeute bei. Zudem führt sie zu einer Senkung der Produktionskosten bei der Scheinwerfermontage, da keine speziellen Geräte zum Einsetzen der Stifte und keine speziellen Montagemaschinen mehr notwendig sind. Auf diese Weise wird die Montagegeschwindigkeit erhöht, sodass die Vorteile des SMD-Produktionsprozesses voll ausschöpfen lassen. Bild 2 zeigt den internen Aufbau der SMD-LD-Baugruppen.

Die kleinere Einheit eröffnet neue Möglichkeiten beim Scheinwerferdesign, das dem aktuellen Trend zur Miniaturisierung folgt. Mit zwei LD-Chips und zwei Spiegeln, bei denen die Strahlen auf eine kleine Lichtaustrittsfläche (LES) von 0,5 × 1,0 mm² fokussiert werden, lassen sich kompaktere Scheinwerfer entwerfen, um die Ästhetik des Lichts und die Kontinuität des Karosseriedesigns zu verbessern. Die geringe Größe des Emitters ermöglicht dünne Designs, während seine rechteckige Form optimal für das Sichtfeld (FOV) bei Fern- und Abblendlicht ist. Ein Vorteil ist die Konstruktionsfreiheit bei der genauen Erfassung des Lichtstrahls, die völlig neue Möglichkeiten schafft. Die neue LD NUW9A1 hat bereits eine Leuchtdichte von 710 cd/mm² erreicht und verbessert die Scheinwerferkompaktheit durch Kombination einer reduzierten Optikgröße mit einer typischen Lichtstromleistung von mehr als 1360 lm bei T_a = 25 °C unter Pulsbedingungen. Insgesamt können so durch die Verwendung von Lichtquellen mit hoher Leuchtdichte die Entwicklung neuer Materialien für die Fahrzeugkarosserie und die Integration von 3D-Elektronikstrukturen kleinere Formfaktoren konstruiert werden, ohne die Leistung des Scheinwerfers zu beeinträchtigen.

Eingebauter Thermistor

Während des Betriebs ist es wichtig, die thermischen Bedingungen der LD zu überwachen. Ein wesentlicher Konstruktionsvorteil der GigaWhite Gen2 ist der eingebaute Thermistor (Bild 3). Dank der Verkapselung der Einheit wird Platz gespart und dies erleichtert es Tier-1-Herstellern, Beleuchtungsmodule zu entwerfen. Durch die Integration wird die Verbindung zu den Elektroden an der Einheit vereinfacht, um die thermischen Daten abzurufen. Daher sind keine komplexen Lötvorgänge außerhalb des Gehäuses mehr erforderlich.

Im Allgemeinen sind Laser wärmeempfindlicher als LEDs, die Nähe zu den LD-Chips ist daher ideal, um die Sperrschichttemperatur genauer zu messen. Anhand der Thermistormesswerte kann der LD-Strom moduliert oder angepasst werden, um innerhalb der empfohlenen Betriebsbedingungen zu bleiben und so den richtigen Lichtstrom und die optimale Lebensdauer der Einheit zu erhalten.

Die Lebensdauer ist der kritische Faktor bei LDs. Nichia hat die LD-Technologie auf L70B3 mit einer Lebensdauer von über 4000 Stunden verbessert und erfüllt damit bereits die Anforderungen für zusätzliches Fernlicht in Kraftfahrzeugen. Jedoch sind noch weitere Entwicklungen erforderlich und werden bereits durchgeführt, um die Lebensdauer auf mindestens 10.000 Stunden zu erhöhen, damit Laserdioden auch in Abblendlichtanwendungen zum Einsatz kommen können.

Integrierte Sicherheitstechnologie

Nichia hat einen integrierten Sicherheitssensor entwickelt, der Risse und Brüche direkt auf der Phosphorebene erkennt. Dies ist nicht nur praktisch, sondern trägt auch enorm zur Robustheit und Sicherheit der Konstruktion bei. Die Technologie besteht aus einem elektrischen Widerstand rund um die LES, sodass im Falle von Rissen in der Keramikdecke, die eine Widerstandserhöhung hervorrufen, die LD abgeschaltet werden kann. Gegenwärtig können Tier-1-Unternehmen in der Automobilindustrie keine Sensoren oder zusätzlichen Geräte in eine bestehende Einheit einbauen. Daher muss eine externe Sicherheitsvorrichtung integriert werden, die die Produktion des Systems erschwert. Zusätzlich wird bei den derzeitigen Remote-Phosphor-Laserlösungen der Austritt von blauem Licht außerhalb der Quellenkomponente erkannt.

Durch die Sicherheitserhöhung auf Scheinwerferebene und Erweiterung auf die Komponentenebene, können Mikrorisse bereits in den frühen Stadien möglicher Phosphorabbauprozesse erkannt und ein Befehl zum Abschalten der LD  vor Blaulichtaustritt gegeben werden. In Kombination mit einem Sicherheitsabschaltkreis wurde so eine Abschaltreaktionszeit von weniger als 1 µs erreicht. Dank der Kompatibilität mit den Konstruktionen von Tier-1-Herstellern kann die Reaktion durch einen herstellerspezifischen Schaltkreis entsprechend der gewünschten Sicherheitsnorm erfolgen. Derzeit ist die NUW9A1 auf Komponentenebene als Klasse 3R gemäß IEC60825-1:2007 klassifiziert. Bild 4 verdeutlicht den internen Aufbau und die Strahlführung für weißes Licht.

Modul für einfache Installation

Um die LD-Installation zu erleichtern, wird derzeit eine Modulversion mit einem integrierten 6-poligen Stecker entwickelt. Die Beibehaltung der Designflexibilität ist für Tier-1- und Automobil-OEMs wichtig, doch es gibt dabei einige Herausforderungen zu bewältigen: Wenn nur die LD-Komponente verbaut wird, müssen die Montagelinien über strenge Kontrollen verfügen, um die LES der Laserdiode genau zu positionieren und optisch auszurichten. Beim Standard-SMD-Bestückungsprozess wird die LD auf die Leiterplatte gelötet, wobei es beim Reflow-Verfahren zu kleinen Verschiebungen kommen kann. Zur Zentrierung der LD sind spezielle Geräte erforderlich, außerdem zusätzliche Maschinen zur Kontrolle der Optikausrichtung und weiteren Überprüfung der Positionierung.

Da die LES so kompakt ist, führen schon Abweichungen von wenigen Nanometern auf Leiterplattenebene zu einer wesentlich größeren Abweichung auf der Systemebene, was höhere Montagekosten für optimale Präzision bedeutet. Mit seiner langjährigen Erfahrung im Bereich LD und Hochpräzisionsbestückung von optischen Komponenten hat Nichia den Prozess zur Platzierung der Einheit auf einer Aluminiumplatine und die Ausrichtung auf bestimmte mechanische Referenzpunkte optimiert. Diese Referenzpunkte ermöglichen die Montage eines Moduls, das den 6-poligen Stecker enthält und eine Plug-and-Play-Lösung für die Tier-1-Hersteller darstellt. Das Modul gibt den Herstellern von Scheinwerfern die Freiheit, ihren Entwicklungsprozess zu beschleunigen und sich auf das optische Design zu konzentrieren.

Künftige Anwendungen und Herausforderungen

Während Laserscheinwerfer in Europa bereits in einigen Fahrzeugen als Erstausrüstung für zusätzliches Fernlicht eingesetzt werden, sind weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich, um einen höheren Farbwiedergabeindex (CRI) zu erreichen und die Farbtemperaturvariation sowie die CoA-Leistung für Abblendlichtanwendungen zu verbessern. Bei der Suche nach zukünftigen Möglichkeiten in anderen Anwendungsbereichen könnte eine Erweiterung des derzeitigen HUD-Displays mit RGB-Laser zur Schaffung von Weißlichtlösungen mit Faseroptik für die Karosseriebeleuchtung und Innenausstattung von Fahrzeugen vielversprechend sein.

Der Vorteil der gebündelten Lichtemission von Laserdioden und deren Kopplung mit der kleinen Apertur von Fasern ist eine effiziente Nutzung von Licht für neue Designs und Materialintegrationen. Auch die Laser-Scanning-MEMS-Projektion im Automobilbereich könnte von der SMD-Einheit und der hohen Leistung für die Lesbarkeit von Verkehrsschildern und Projektionen auf der Straße profitieren. Die Verbesserung des Lichtstroms der GigaWhite Gen2 ermöglicht außerdem eine weitere Miniaturisierung der Optik, wodurch Platz für zusätzliche Sensoren und Kameras geschaffen wird.

Abschließend ist das Wachstumspotenzial von Lasern bedeutender als das von LEDs, da diese Technologie noch nicht ganz ausgereift ist. Dies ist ein weiteres Beispiel dafür, wie die zunehmend globale Natur der Automobilindustrie noch immer marktspezifische Regulierungsvorschriften überwinden muss. (na)