高性能汽车内饰LED器件开发

高性能汽车内饰LED器件开发

童文鹏

深圳市聚飞光电股份有限公司  广东省深圳市  518111

【摘要】LED是一种应用十分广泛的发广器件，可以将电能转化为可见光，具有耗电量少、体积较小、使用寿命长、发光效率高等特点，在多个不同的领域得到广泛的应用。其中，在汽车内饰方面，对LED的应用也越来越多。汽车内饰LED器件运用在汽车中控背光、仪表、娱乐显示、HUD、空调、档位及开发按键、阅读灯、情景氛围灯，应用广泛，市场潜力巨大，将会给相关企业带来较大的经济效益。本文的研究过程中，对车用照明市场以及汽车内饰照明市场等快速发展的现实背景进行分析，进而立足现实情况与市场需求，设计一种高性能汽车内饰LED器件。相应的高性能汽车内饰LED器件为汽车内饰LED3528发光二极管，高亮度；高可靠性，经批量生产后，所获得的产品经测试验证并使用，全部符合实际要求，产品的表现性能十分理想。

【关键词】汽车内饰；高性能；LED器件；开发 

引言：

汽车内饰指的在汽车内部所设置的各种装饰结构，考虑到人们的实际需求，在进行汽车内饰件设计的时候，还需要综合考虑装饰的实用性以及美观性以及功能性。随着汽车制造业的不断发展，广大群众对汽车内饰件的设计从美观上和功能室均提出了较高的要求。所以，汽车内饰的设计已经成为了汽车生产中重要的环节[1]。在汽车内饰中，LED器件的应用十分广泛。目前，LED作为目前全球最受瞩目的新一代光源，因其高亮度、低热量、长寿命、不含汞、铅等有害物质，无红外和紫外污染、可回收再利用等优点，被称为是21世纪最有发展前景的绿色环保光源。白光SMD LED已广泛应用于室内照明领域、液晶电视背光和手机、平板背光、汽车照明领域[2]。近年来LED产业上游产能过剩已导致供需失衡与价格崩跌，LED业者积极开发不同应用领域的利基型市场，车用LED成为业者锁定的新蓝海市场。

1相关背景

在汽车的整个照明系统中，总体可以分为外装照明系统以及内装照明系统两部分。其中，内装照明系统所包含的主要是汽车仪表板照明、阅读照明、氛围照明、开关搜索照明等。外装照明系统主要涉及到车前、车后的各种照明系统，例如前照灯、雾灯、车辐灯和转向灯、刹车灯、转向灯、后雾灯、尾灯等等[3]。车用照明市场是各家争相角逐的下一个蓝海市场。尽管2022年车市需求受俄乌冲突及疫情反扑冲击而有所下滑，但相关预估数据显示，2022年全球车用照明市场产值有望达326.8亿美元，年增4%。全球车用照明市场产值预估相关情况如表1所示：

表1   全球车用照明市场产值预估

表格数据来源：集邦咨询：2022年全球车用照明市场产值有望达326.8亿美元_搜狐汽车_搜狐网 https://www.sohu.com/a/564507765_128242

其中，在汽车照明内装系统方面，在早期阶段，汽车内饰设计过程中，并未进行相应的照明设计。随着汽车功能的不断丰富，人们使用汽车过程中实际需求的不断增加，以及新型灯泡光源小型化发展，在汽车内饰的设计过程中，也开始逐渐使用到一些小型的灯泡照明，内饰照明得到启用。之后，随着LED技术的快速发展，更加先进的LED 照明也开始被逐渐应用于汽车内饰照明系统的设计之中[4]。根据LEDinside预估，2017年的车用LED产值达到28.17亿美金，年增长14.8%，车内LED市场2020年产值将超过6亿美元。据LEDinside研究，全球车用LED市场(前装与后装市场总和)产值于2018年达到25亿美金，2014-2018年复合成长率约为9%，呈稳定增长趋势。其中车用LED于前装市场产值将达到19.02亿美金，而车用LED于后装市场产值也将达到6.2亿美金。GPS与仪表板等车用面板的需求快速增长，LEDinside预估车用面板LED产值也从2014年的0.71亿美金成长至2018年1.3亿美金。

根据国家统计局发布的公报，截至2016年3月底，我国国内汽车保有量已达到1.79亿辆，同比增长12.3%，中国汽车保有量长期占据机动车保有量六成以上的比例，尤其自2017年起达到七成以上的比例，并且该比例保持逐年增长的趋势，2021年中国汽车保有量占机动车保有量的76.5%，较2015年的61.6%增长了14.8%。具体统计结果如表2所示。如此庞大的汽车市场，也给车用零部件市场带来巨大的发展机遇。

表2   近年来我国汽车保有量及汽车保有量占机动车保有量的百分比统计

表格数据来源：【汽车】2021年6月底中国汽车保有量达2.92亿辆，稳居世界第一 公安部统计数据显示，截至2021年6月，全国机动车保有量达3.84亿辆，其中汽车2.92亿辆；机动车驾驶人4.69亿人，... - 雪球 https://xueqiu.com/5296061618/189583604?ivk_sa=1024320u、2021年中国汽车保有量及驾驶人数量分析：汽车保有量达3.02亿辆，汽车驾驶人数量达4.44亿人[图]_智研咨询_产业信息网 https://www.chyxx.com/industry/202201/993791.html

作为一个庞大的汽车消费市场，2015年底，中国的汽车保有量已经达到1.72亿，并且继续呈现快速增长趋势。可以预测，未来几年中国对汽车零部件以及售后服务市场的需求将显著增加，中国是当今全球最大的汽车市场[5]。而汽车照明市场也存在着巨大的发展潜力。然而目前，在中国的汽车照明供应链当中，从器件、到模组、再到车灯，合资以及外资厂商都占据了大部分市场份额，国内车用LED器件方面基本处于空白，急需积极开拓。

2汽车内饰LED器件开发设计

目前，在中国的汽车照明供应链中，LED领域市场基本被国外公司企业占据，国内此领域LED基本上述空白。为此，在此次研究中，立足现实情况，我们尝试开发的新型LED光电性能可以与国外品牌厂商如OSRAM相当，可靠性通过AEC-Q102国际车规标准第三方认证，可广泛运用于汽车内饰应用中。预计随着后续汽车市场需求、产能的增加，该项目将为公司带来较大的经济效益。

2.1高性能汽车内饰LED器件总体设计方案

在进行开发设计的过程中，所开发的高性能汽车内饰LED器件总体设计方案如下：（1）高散热性能LED封装器件技术：设计优化LED支架的结构，缩短散热通道，降低LED产品的整体热阻。（2）自主开发的焊线工艺：优化LED生产制造时的焊线工艺，通过线弧优化减少冷热冲击时封装胶对键合线的应力，满足车用LED的AEC-Q101可靠性标准。（3）评估气密性优异的封装胶水，提升LED产品防硫化性能。（4）等离子PLASMA清洗工艺：优化清洗工艺参数，提升胶水与支架结合能力，使LED达到防潮等级。

另外，为确保所设计的高性能汽车内饰LED器件的质量，还开展了一系列可靠性试验[16]。相应的可靠性试验所制定的测试项目主要包括不同温度下的使用寿命，高温高湿状态下的性能，以及不同温度下的储存情况等等。按照不同的测试项目，设定一定的测试条件，分别对20个高性能汽车内饰LED器件样品进行测试。得出具体的测试结果，按照一定的判定标准进行对比，评估，掌握高性能汽车内饰LED器件的可靠性。高性能汽车内饰LED器件可靠性试验具体内容如表3所示：

表3      高性能汽车内饰LED器件可靠性试验

同时：防潮等级达到2, 通过AEC-Q101国际车规标准认证。

2.2高性能汽车内饰LED器件技术性能指标

本次研究中所设计的高性能汽车内饰LED器件为汽车内饰LED3528发光二极管：当正向电流50mA，黄光波长为586-592nm,亮度为2240-3550mcd；红光波长为612-620nm，亮度为2240-3550mcd。高亮度；高可靠性：防潮等级2，冷冲冲击1000循环零失效，通过AEC-Q102国际车规标准第三方认证。高性能汽车内饰LED器件技术性能指标如表4所示：

表4  高性能汽车内饰LED器件技术性能指标

主要产出分布情况统计结果如表5、表6所示：

表5    高性能汽车内饰LED器件亮度产出分布情况统计

表6  高性能汽车内饰LED器件电压产出分布情况统计

2.3高性能汽车内饰LED器件开发创新之处

高可靠性是汽车内饰LED器件的关键指标，为解决汽车内饰LED器件防潮等级达到2，冷热冲击通过1000循环等技术难题，本次研究中，在开发该高性能汽车内饰LED器件的过程种，注意从以下一些方面进行技术创新。首先，对焊线工艺技术予以优化处理，通过DOE（Design of Experiment）试验优化LED生产制造时的焊线工艺，DOE是一种集方案设计与优化分析于一身的数理统计方法，它能够用较少的实验次数、较短的实验周期和较低的实验成本来获得良好的预期目标，在很多学科和领域中都能够运用[7]。此次研究中，通过DOE（Design of Experiment）试验优化LED生产制造时的焊线工艺，通过线弧优化减少冷热冲击时封装胶对键合线的应力，使LED通过冷热冲击1000循环，满足车用LED的AEC-Q101可靠性标准。其次，对等离子plasma清洗工艺予以优化设计。等离子体清洗是一种新型的清洗技术，在清洗工艺中不使用化学试剂,不会造成二次污染。在清洗的过程中，利用等离子体中的高能粒子和活性粒子,通过轰击或活化反应作用达到去除金属表面污渍的效果。通过DOE试验，优化等离子PLASMA清洗工艺，加强封装胶水与支架的结合，提升LED气密性。另外，严格控制封装工艺，制作高导热LED封装支架。研发低热阻，优异光学特性、高可靠的封装技术是新型LED走向实用、走向市场的必经之路，从某种意义上讲封装是连接产业与市场之间的纽带，只有封装好才能成为终端产品，从而投入实际应用。本次研究中，在开发高性能汽车内饰LED器件的过程中，为了获得高质量的高性能汽车内饰LED产品，需要尽可能的提高LED封装工艺水平。LED的封装工艺主要有固晶、焊线、荧光粉涂覆、制作透镜、切割、测试和包装等环节。其中固晶前、焊线前都需要做等离子清洗；部分产品在荧光粉涂覆后还需要做等离子清洗[8]。此次研究中，选择应用高散热性能LED封装器件技术，设计优化LED支架的结构，缩短散热通道，降低LED产品的整体热阻，以提高产品质量。另外，在进行设计开发的过程中，还注意严格评估选用与支架结合较强以及抗冷热冲击的胶水，提升LED的气密性、防潮等级和抗冷冲能力。按照以上方式，通过对相关技术要点的严格控制与优化设计，由此开发的3528发光二极管具有防潮等级达到2级、冷热冲击达到1000循环、符合AEC-Q102车规的高可靠性能。

2.4高性能汽车内饰LED器件应用前景

总体来看，此次研究所开发的LED产品为长方形，外形尺寸为3.5*2.8*1.95mm；适用于汽车内饰照明。我司采用车用14X14mil芯片芯片生产的3528LED：正向电流50mA，黄光波长为586-592nm,亮度为2240-3550mcd；红光波长为612-620nm，亮度为2240-3550mcd。由此开发的3528发光二极管具有高亮度、高可靠性，且具有高可靠性，可替代进口3528汽车内饰发光二极管，具有明显市场优势。对于本次研究所设计的高性能汽车内饰LED器件，经批量生产后，所获得的产品经过客户测试验证并使用，全部符合客户的要求，客户对此产品的表现性能非常满意。预计2018年汽车内饰3528产品销售额达到1000万，该项目技术适用于的其中汽车内饰LED产品在2018年的销售目标预计达到6500万。市场需求逐年增加，销售额也将增加。汽车内饰LED产品销售净利率在50%以上，有很好的盈利性，能给企业带来较好的经济效益。

3结语

综上所述，“高性能汽车内饰LED器件”的成功开发，突破了汽车内饰应用使用进口的车员工LED的需求，基于此项目开发的汽车内饰3528等LED产品，具有高亮度、高可靠性能等优势，填补了国内车用LED应用领域空白，为公司提供了新的利润点和经济效益。

【参考文献】

[1] 宋昀洁,李武斌,胡留成,等. 一种基于人眼特性的非线性汽车内饰LED灯光调节策略[J]. 汽车零部件,2020(7):32-35. 

[2] 盛红金,马良,李志刚,等. 汽车内饰氛围灯结构设计和发展趋势[J]. 汽车电器,2020(4):63-64. 

[3] 广州市神剑汽车用品有限公司. 一种汽车尾灯LED内饰框:CN202121269165.0[P]. 2021-12-17.

[4] 杜莎. 车内如何实现多色氛围灯?LIN RGB LED控制器是关键[J]. 汽车与配件,2020(1):56-57. 

[5] 郑志磊. 一种可调节辐射轨迹的汽车室内紫外LED杀菌灯的设计和有效辐射面积计算[J]. 中国照明电器,2020(4):18-22.

[6] 郑志磊. 一种可变轨发光的汽车室内阅读灯的设计[J]. 照明工程学报,2020,31(3):80-84.

[7] 安轲. 汽车LED灯具发展及关键技术分析[J]. 科技创新导报,2021,18(32):103-105.

[8] 李秀恒,王丽. LED汽车灯具工艺设计与应用[J]. 汽车博览,2021(24):3-4.

作者简介：童文鹏，1982年2月男，汉族，江西省贵溪市，本科，应用物理学(光电技术专业)。

[1]2.2所述LED为红黄光，那么此处的可靠性判定标准应该是波长而不是ΔX/ΔY