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.

Das 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. Für die Umsetzung entwickelte Osram Opto Semiconductors mit Infineon und dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) einen neuartigen LED-Chip mit 1.024 einzeln ansteuerbaren Lichtpunkten. 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 neuartige intelligente Autolicht 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.

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.

Die Infineon Technologies AG entwickelte die intelligente Treiberschaltung im neuartigen LED-Chip. Dank ihr lässt sich jeder einzelne der 1.024 Lichtpunkte individuell ansteuern. Dem Halbleiterhersteller ist es gelungen, sie so zu designen, dass sie im LED-Chip direkt mit dem über ihr liegenden lichtemittierenden LED-Array zu verbinden ist. Technisch fordernd war es dabei, die speziellen Anforderungen dafür mit Fertigungstechnologien für LED-Treiber in Einklang zu bringen. Mit der intelligenten Treiberschaltung und seinem breiten Anwendungswissen für Automobilanwendungen unterstützt Infineon den Trend zu hochinnovativen, adaptiven Frontlichtsystemen.
Die 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. Mit der Entwicklung wird Hella dem eigenen Anspruch gerecht, innovative Lichtsysteme mit und für Kunden zu entwickeln und diese nicht nur in der geforderten Genauigkeit und Qualität in Serie zu bringen, sondern technologisch auch immer einen Schritt voraus zu denken.

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 von Daimler mit den intelligenten LED-Scheinwerfern im Einsatz.

In der aktuellen Mercedes-Benz E-Klasse arbeiten MULTIBEAM LED Scheinwerfer von Hella mit je 84 einzeln ansteuerbaren Osram-Hochleistungs-LED. Daimler treibt die Entwicklung von LED-Scheinwerfern mit immer mehr und immer feineren Pixeln voran und baut seine Vorreiterrolle im Lichtsektor weiter aus. Fraunhofer 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 in Berlin LED-Arrays von Osram mit 1.024 Pixeln auf eine aktive Treiberschaltung von Infineon 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 1.024 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 in Freiburg eine neue Technologie zur Reparatur von Defekten während des laufenden Herstellungsverfahrens entwickelt. 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 des Fraunhofer IAF 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, was einen wichtigen Wettbewerbsvorteil darstellt und für mehr Kundenzufriedenheit sorgt.