曲曉東

引言

2021年12月24日，特斯拉推出重磅更新，車機(jī)v11全新UI和FSDBetaV10.8版本，更新后增加了燈光秀功能，其中前大燈可打出“TESLA”的圖案。此前特斯拉并未在宣傳中強(qiáng)調(diào)此事，因此人們一看到此種情形，瞬間驚喜萬分。以往不管是矩陣式LED大燈還是激光大燈，基本是“燈廠”奧迪的噱頭，由于其成本高昂，加裝費(fèi)用不菲，離普通消費(fèi)者還比較遙遠(yuǎn)，而特斯拉卻在二三十萬元起步的Model3和ModelY車型中標(biāo)配，讓人甚為驚嘆。但與朋友圈中的熱鬧展示相反的是，特斯拉行事如此低調(diào)，讓人覺得此事絕非簡(jiǎn)單。

本文主要分析了特斯拉車大燈中所采用的關(guān)鍵核心技術(shù)，尤其是其發(fā)光芯片采用的三星電子的PixCell技術(shù)。PixCell技術(shù)采用硅襯底LED技術(shù)，結(jié)合倒裝薄膜芯片以及晶圓級(jí)封裝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更小的封裝面積和更好的顯示效果。本文分析了PixCell的工藝流程，并探討了該技術(shù)存在的風(fēng)險(xiǎn)。

特斯拉車大燈發(fā)光核心技術(shù)

根據(jù)易車網(wǎng)報(bào)道，特斯拉的車大燈由德國(guó)著名零配件供應(yīng)商HELLA制造，其中發(fā)光單元的供應(yīng)商為三星電子。同時(shí)多家媒體報(bào)道了三星半導(dǎo)體發(fā)布PixCellLED模組的相關(guān)信息：2021年4月，三星半導(dǎo)體發(fā)布新一代車載光源PixCellLED模組，此產(chǎn)品將應(yīng)用于汽車的智能大燈。三星半導(dǎo)體表示，最新研發(fā)的PixCellLED是適用于車載智能大燈的超小型LED解決方案，通過更小的發(fā)光面積和明暗對(duì)比，可以實(shí)現(xiàn)照明控制。此外，三星的產(chǎn)品將發(fā)光面積減少到普通智能大燈的1/16，使整個(gè)燈的體積變小，有助于提高汽車燃油效率，還增加了車燈的設(shè)計(jì)靈活度。

從國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)車燈研究院發(fā)布的拆解分析看，特斯拉確實(shí)采用的是三星電子的PixCellLED技術(shù)。

PixCellLED為了提升顯示效果，防止相鄰光源串?dāng)_，每個(gè)像素之間設(shè)立了硅墻隔板。從最終的顯示效果看，PixCellLED中的每個(gè)像素單元都實(shí)現(xiàn)了單面出光效果。根據(jù)以往的認(rèn)知，能夠?qū)崿F(xiàn)這種發(fā)光效果的，芯片段主要是薄膜型芯片，例如垂直型薄膜芯片、倒裝型薄膜芯片（TFFC）芯片等；封裝端也可以采用倒裝芯片+CSP（ChipScale Package）技術(shù)，將芯片四周的光通過白墻的遮擋和反射，使得側(cè)向光反射到正面，也可以實(shí)現(xiàn)單面出光的效果。

PixCellLED看起來與CSP技術(shù)似乎有類似的地方，不過是用硅墻取代了白墻(鈦白粉等高反射材料)，且從宣傳的示意圖看，硅墻高度更高、熒光膜在硅墻上并沒有覆蓋。這種設(shè)計(jì)，實(shí)際是減少了像素串?dāng)_，提高了像素的分辨率。

PixCellLED芯片工藝詳解

通過公開專利LIGHT-EMITTINGDEVICES,HEADLAMPSFORVEHICLES,AND VEHICLESINCLUDINGTHESAME[1]（發(fā)光裝置、用于交通工具的大燈和包括其的交通工具，公開專利號(hào)：US20210341125A1）分析PixCellLED核心發(fā)光器件的基本設(shè)計(jì)理念，其基本設(shè)計(jì)思路采用倒裝薄膜芯片技術(shù)(TFFC)以及晶圓級(jí)封裝（WLP）理念，工藝路線如圖6。

從工藝流程看，三星PixCellLED采用的是硅襯底氮化鎵外延工藝，芯片架構(gòu)采用帶有硅墻的類TFFC結(jié)構(gòu)，通過晶圓級(jí)封裝WaferLevel Package（WLP）技術(shù)做成白光芯片。

盡管專利中并沒有局限在硅襯底，但實(shí)際藍(lán)寶石和碳化硅襯底都比較難具備這種襯底選擇性去除的效果。此外硅襯底天然不透明，有利于防止相鄰芯片串光干擾。

從圖7可見，實(shí)際TFFC的電極是通過引線引出到芯片外側(cè)，這種設(shè)計(jì)超越了TFFC的設(shè)計(jì)范疇，將晶圓級(jí)封裝技術(shù)又向前推進(jìn)了一步。

該專利呈現(xiàn)的內(nèi)容具備較高的創(chuàng)新性，可以拓展開發(fā)者的視野。該方案對(duì)長(zhǎng)期從事薄膜芯片開發(fā)的從業(yè)者來講，實(shí)現(xiàn)起來可能并沒有想象中的復(fù)雜，但確實(shí)比較新穎。當(dāng)然，要達(dá)到車規(guī)級(jí)，且打入前裝市場(chǎng)，應(yīng)該是要花不小精力和投入。

PixCellLED技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)與挑戰(zhàn)

與目前比較成熟的藍(lán)寶石和碳化硅上氮化鎵外延相比，該方案采用的GaN-On-Si（硅上氮化鎵）外延技術(shù)，由于氮化鎵與硅晶格失配較大，導(dǎo)致該技術(shù)路線生長(zhǎng)的氮化鎵晶體質(zhì)量較差。晶體質(zhì)量上的差距在一定程度上會(huì)體現(xiàn)到可靠性和性能上。從用戶反饋看，特斯拉車主升級(jí)燈光秀后個(gè)別存在大燈燒毀的問題，不排除或許與此相關(guān)。

從某種意義上講，三星的PixCellLED能夠得到頭部車企的認(rèn)可，打入汽車前裝市場(chǎng)，對(duì)基于硅襯底的GaN-On-Si技術(shù)來講，絕對(duì)是一個(gè)具備里程碑意義的事件。

基于GaN-On-Si技術(shù)方案存在一定風(fēng)險(xiǎn)，但確實(shí)可以實(shí)現(xiàn)更小的發(fā)光面積和明暗對(duì)比。因此，特斯拉采用該技術(shù)符合其一貫的技術(shù)驅(qū)動(dòng)的行事風(fēng)格。

PixCellLED除了采用GaN-On-Si技術(shù)外，還結(jié)合了WaferLevelPackage(WLP)、ThinFilm FlipChip(TFFC)、DriveOnBoard(DOB)等技術(shù)，并將其向前進(jìn)行了演化和推進(jìn)。PixCellLED是三星電子在發(fā)光芯片領(lǐng)域和半導(dǎo)體領(lǐng)域交叉創(chuàng)新的結(jié)晶，其創(chuàng)新視野和創(chuàng)新能力值得國(guó)內(nèi)廠商借鑒和學(xué)習(xí)。

當(dāng)然，GaN-On-Si技術(shù)不是實(shí)現(xiàn)矩陣式LED大燈的唯一途徑，還可以以激光剝離技術(shù)來實(shí)現(xiàn)TFFC芯片。國(guó)內(nèi)廈門乾照光電股份有限公司、三安光電股份有限公司、易美芯光科技有限公司等企業(yè)在薄膜性芯片領(lǐng)域深耕多年，利用成熟的藍(lán)寶石激光剝離技術(shù)，也可以有對(duì)應(yīng)的方案呈現(xiàn)。且從光效和可靠性方面來講，基于藍(lán)寶石激光剝離技術(shù)的薄膜芯片會(huì)比硅襯底LED技術(shù)更加具備優(yōu)勢(shì)。