曲晓东
2021年12月24日,特斯拉推出重磅更新,车机v11全新UI和FSDBetaV10.8版本,更新后增加了灯光秀功能,其中前大灯可打出“TESLA”的图案。此前特斯拉并未在宣传中强调此事,因此人们一看到此种情形,瞬间惊喜万分。以往不管是矩阵式LED大灯还是激光大灯,基本是“灯厂”奥迪的噱头,由于其成本高昂,加装费用不菲,离普通消费者还比较遥远,而特斯拉却在二三十万元起步的Model3和ModelY车型中标配,让人甚为惊叹。但与朋友圈中的热闹展示相反的是,特斯拉行事如此低调,让人觉得此事绝非简单。
本文主要分析了特斯拉车大灯中所采用的关键核心技术,尤其是其发光芯片采用的三星电子的PixCell技术。PixCell技术采用硅衬底LED技术,结合倒装薄膜芯片以及晶圆级封装技术,实现了更小的封装面积和更好的显示效果。本文分析了PixCell的工艺流程,并探讨了该技术存在的风险。
根据易车网报道,特斯拉的车大灯由德国著名零配件供应商HELLA制造,其中发光单元的供应商为三星电子。同时多家媒体报道了三星半导体发布PixCellLED模组的相关信息:2021年4月,三星半导体发布新一代车载光源PixCellLED模组,此产品将应用于汽车的智能大灯。三星半导体表示,最新研发的PixCellLED是适用于车载智能大灯的超小型LED解决方案,通过更小的发光面积和明暗对比,可以实现照明控制。此外,三星的产品将发光面积减少到普通智能大灯的1/16,使整个灯的体积变小,有助于提高汽车燃油效率,还增加了车灯的设计灵活度。
从国内研究机构车灯研究院发布的拆解分析看,特斯拉确实采用的是三星电子的PixCellLED技术。
PixCellLED为了提升显示效果,防止相邻光源串扰,每个像素之间设立了硅墙隔板。从最终的显示效果看,PixCellLED中的每个像素单元都实现了单面出光效果。根据以往的认知,能够实现这种发光效果的,芯片段主要是薄膜型芯片,例如垂直型薄膜芯片、倒装型薄膜芯片(TFFC)芯片等;封装端也可以采用倒装芯片+CSP(ChipScale Package)技术,将芯片四周的光通过白墙的遮挡和反射,使得侧向光反射到正面,也可以实现单面出光的效果。
PixCellLED看起来与CSP技术似乎有类似的地方,不过是用硅墙取代了白墙(钛白粉等高反射材料),且从宣传的示意图看,硅墙高度更高、荧光膜在硅墙上并没有覆盖。这种设计,实际是减少了像素串扰,提高了像素的分辨率。
通过公开专利LIGHT-EMITTINGDEVICES,HEADLAMPSFORVEHICLES,AND VEHICLESINCLUDINGTHESAME[1](发光装置、用于交通工具的大灯和包括其的交通工具,公开专利号:US20210341125A1)分析PixCellLED核心发光器件的基本设计理念,其基本设计思路采用倒装薄膜芯片技术(TFFC)以及晶圆级封装(WLP)理念,工艺路线如图6。
从工艺流程看,三星PixCellLED采用的是硅衬底氮化镓外延工艺,芯片架构采用带有硅墙的类TFFC结构,通过晶圆级封装WaferLevel Package(WLP)技术做成白光芯片。
尽管专利中并没有局限在硅衬底,但实际蓝宝石和碳化硅衬底都比较难具备这种衬底选择性去除的效果。此外硅衬底天然不透明,有利于防止相邻芯片串光干扰。
从图7可见,实际TFFC的电极是通过引线引出到芯片外侧,这种设计超越了TFFC的设计范畴,将晶圆级封装技术又向前推进了一步。
该专利呈现的内容具备较高的创新性,可以拓展开发者的视野。该方案对长期从事薄膜芯片开发的从业者来讲,实现起来可能并没有想象中的复杂,但确实比较新颖。当然,要达到车规级,且打入前装市场,应该是要花不小精力和投入。
与目前比较成熟的蓝宝石和碳化硅上氮化镓外延相比,该方案采用的GaN-On-Si(硅上氮化镓)外延技术,由于氮化镓与硅晶格失配较大,导致该技术路线生长的氮化镓晶体质量较差。晶体质量上的差距在一定程度上会体现到可靠性和性能上。从用户反馈看,特斯拉车主升级灯光秀后个别存在大灯烧毁的问题,不排除或许与此相关。
从某种意义上讲,三星的PixCellLED能够得到头部车企的认可,打入汽车前装市场,对基于硅衬底的GaN-On-Si技术来讲,绝对是一个具备里程碑意义的事件。
基于GaN-On-Si技术方案存在一定风险,但确实可以实现更小的发光面积和明暗对比。因此,特斯拉采用该技术符合其一贯的技术驱动的行事风格。
PixCellLED除了采用GaN-On-Si技术外,还结合了WaferLevelPackage(WLP)、ThinFilm FlipChip(TFFC)、DriveOnBoard(DOB)等技术,并将其向前进行了演化和推进。PixCellLED是三星电子在发光芯片领域和半导体领域交叉创新的结晶,其创新视野和创新能力值得国内厂商借鉴和学习。
当然,GaN-On-Si技术不是实现矩阵式LED大灯的唯一途径,还可以以激光剥离技术来实现TFFC芯片。国内厦门乾照光电股份有限公司、三安光电股份有限公司、易美芯光科技有限公司等企业在薄膜性芯片领域深耕多年,利用成熟的蓝宝石激光剥离技术,也可以有对应的方案呈现。且从光效和可靠性方面来讲,基于蓝宝石激光剥离技术的薄膜芯片会比硅衬底LED技术更加具备优势。