LED汽車頭燈的設計方法及要點

LED汽車頭燈的設計要點

LED已經(jīng)廣泛的應用于車上，依照不同的效能需求選擇適當?shù)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/LED">LED產(chǎn)品，LED相較于傳統(tǒng)光源除了外型不同外，效能輸出與光型輸出亦大不相同，應用于頭燈時將面臨光學設計與散熱設計等不同于傳統(tǒng)燈具之設計概念。然而也因其不同于傳統(tǒng)光源之特性，當與車體成功整合克服技術(shù)難題后，將為車型開創(chuàng)嶄新的設計概念。

車上的LED

LED已經(jīng)廣泛的應用于車內(nèi)的相關(guān)照明或指示用光源，由圖1可知，從車內(nèi)的儀表板燈、車頂燈、化妝燈、迎賓燈等，到車外的尾燈、前后轉(zhuǎn)向燈、倒車燈、第三剎車燈等都可見到LED的相關(guān)應用。

圖1 車上的LED應用
從LED的應用歷史來看，早在1992年時已經(jīng)有LED應用于第三剎車燈上的先例；而在2000年時則進一步的應用于尾燈、轉(zhuǎn)向燈與剎車燈；到了2002年Audi A8率先將LED光源置于前置燈具內(nèi)作為日行燈，開啟了設計師與工程師們在前置燈具的想象空間。在之后的許多國際車展上都可以看到LED作為前照燈源的概念車，如圖2所示。

圖2 LED頭燈概念車

LED先天上就具有體積小的優(yōu)勢，應用于前置燈具時更可縮小整組燈具的體積，進一步讓出寶貴的引擎空間與其它相關(guān)設備，以現(xiàn)有的鹵素燈泡或是放電式燈泡設計的燈具總長約300mm，而在許多概念車的設計上，LED燈具只有125mm長。而藉由體積小的優(yōu)勢，更可以配合設計多款不同的造型設計，進而為車體造型創(chuàng)造不同的視覺觀感，跳脫傳統(tǒng)燈具的圓形設計。

不同需求的LED封裝應用

隨著應用層面的不同，車廠也選用不同的LED光源封裝對應不同的環(huán)境要求，依需求亮度不同可簡單分為指示用、照明用與投射用三種不同需求。指示用光源可見于第三剎車燈、尾燈組(尾燈、剎車燈、轉(zhuǎn)向燈等)、側(cè)燈等，其光源輸出流明值低，所需功率低，約在70mW~200mW，產(chǎn)生的熱量對于封裝體影響較小，因此在封裝上會忽略此熱量造成的影響，而直接利用樹脂類材料包覆整體以進行封裝，而因為樹脂的熱傳導系數(shù)低(W/mK)，所以其相關(guān)熱阻會因散熱不易而升高至50~200K/W；而照明用光源其封裝功率會相對提高，除了可應用于指示用光源類的產(chǎn)品之外，亦可用于亮度要求較高的日行燈、霧燈、前方向燈等，但也因為損耗功率增加(功率約在1~5W)，散熱部分不能如指示光源般不考慮散熱問題，除了樹脂類材料封裝外尚需利用金屬塊將熱導出以維持出光效率，其熱阻維持在15K/W以下；而投射用光源則是光源封裝亮度需求最高者，其應用產(chǎn)品以前照系統(tǒng)(遠燈、近燈、霧燈等)為主，其單體封裝需在4W以上，而在熱阻上需小于5K/W，以確保在引擎室的高溫下能維持散熱能力，并保持光源輸出效率在可用的范圍內(nèi)。

不同的應用層面，其總亮度需求也隨之不同，以內(nèi)部照明而言大約需要80流明的亮度，一般選用表面黏著型(SMT)的封裝，單體封裝約2流明輸出，效率可達15~20lm/W。以第三剎車燈而言大約需要30lm的亮度，一般選用炮彈型的封裝結(jié)構(gòu)(φ=5mm)，單體封裝亮度約4流明，效率可達20~40lm/W。

而尾燈組對于亮度需求約300~500lm，一般選用1W的SMT封裝結(jié)構(gòu)，單體封裝亮度約10~20lm，效率可達15~40lm/W。以上都是已經(jīng)應用于車體的光源，而目前LED廠與車廠正積極合作，試著將LED導入前照系統(tǒng)(頭燈、霧燈)中，其中車廠對于頭燈的亮度需求約2000流明的白光，LED廠目前則應用高瓦數(shù)的SMT LED封裝架構(gòu)，每單體封裝可輸出100~200lm，效率預期提高至50~100lm/W。

目前使用于車上的燈源可區(qū)分為白熾燈泡、鹵素燈泡、氣體放電式燈泡與LED光源，其比較如圖4所示。

LED在頭燈的設計

開始著手設計頭燈之前，應先考慮法規(guī)上的相關(guān)規(guī)定，包括光型亮度，環(huán)境測試，亮度衰減等需求，進一步考慮相關(guān)光學設計，機構(gòu)設計，耐熱設計與電控設計等細節(jié)，對于LED而言，光學設計的考慮除了反射罩設計之外，尚需考慮LED本身的出光光型，不同的封裝型態(tài)將產(chǎn)生不同的光型輸出，進一步將影響反射罩或成像透競的要求，與傳統(tǒng)頭燈設計需考慮不同燈泡(H1、H4、H7、H11等)類似。在傳統(tǒng)的頭燈設計上，燈泡本身的光子釋放來自加熱鎢燈絲，不會因自身發(fā)出的熱或來自引擎室的高溫而影響亮度輸出，散熱重點落在整個頭燈腔體的均溫設計而非燈泡的散熱，但在頭燈材料的選擇上則需考慮是否可承受來自燈泡的高溫(頭燈腔體約承受100℃的溫度，霧燈腔內(nèi)溫度可高至300℃)，所以在此選用的材料一般都以耐熱材為主；然而對于LED而言，其光子釋放來自于PN接口的能階跳動，與溫度呈現(xiàn)負相關(guān)，溫度越高則光源輸出越弱，因此散熱成為LED作為光源設計的重要課題。

圖5 歐盟法規(guī)中的近光燈光型

光學設計時先考慮法規(guī)需求，討論視角與強度關(guān)系，以近燈為例須針對其特殊的15度揚角設計，如圖5所示。在傳統(tǒng)的燈具設計上由先期的利用反射罩配合透鏡刻紋作角度與強度的控制，演變成為利用反射罩直接控制強度角度，也發(fā)展出利用成像方式的魚眼透鏡設計法。不論何種的設計方式都須先考慮選用光源的特性，特別是角度與強度的光型輸出(Beam pattern)，對傳統(tǒng)的光源而言，大多為柱狀光源，可產(chǎn)生類似蝴蝶外型的光型輸出，進而發(fā)展出來與之搭配的透鏡、反射罩、擋板、透鏡等光學組件。而利用LED作為光源設計燈具時，需重新考慮其光學特性由傳統(tǒng)的柱狀光源變?yōu)槠矫婀庠?不同的封裝設計有不同的光型輸出)，進而搭配外部的光學組件而產(chǎn)生不同組合以應用于不同產(chǎn)品，依照德國車燈大廠HELLA的設計分類，可將光源分為八大類，如圖6 所示。LED目前的單位面積發(fā)光量尚不及鹵素燈泡與放電式燈泡，想得到相同的流明輸出，LED需要較大的封裝面積。隨著光源輸出面積的增加，光學設計的難度也隨之提升，所以在現(xiàn)有的概念車上，都以模塊化光學設計取代既有的單一燈室設計，利用多組燈源達到傳統(tǒng)燈具的照明水平，除了降低光學設計的難度，也增加車體造型的設計感。

圖6 頭燈設計相關(guān)技術(shù)

圖7 LED光源設計

散熱設計是LED光源區(qū)別于傳統(tǒng)光源的課題之一。傳統(tǒng)燈具產(chǎn)生的熱遠高于LED，但傳統(tǒng)燈具不會因為高溫而降低其光源輸出能力，但LED的光輸出卻會隨著本身接口(Junction, PN接口)溫度的升高而下降，如圖8所示。而其產(chǎn)生的熱如何散除到外界環(huán)境與其封裝結(jié)構(gòu)材料息息相關(guān)，牽涉到使用的散熱材料與相關(guān)外型，關(guān)系如圖9所示，其中熱阻的概念，代表輸入W功率時，需要提高多少K溫度才足以散熱。以現(xiàn)有的封裝技術(shù)最高可允許LED操作在185℃(Lumiled K2)，但一般因為封裝膠材的關(guān)系，可允許的操作溫度約在125℃，除了考慮光源輸出效率之外，亦考慮封裝膠材的變質(zhì)(樹脂類材料在高溫有老化現(xiàn)象)。

圖8 接口溫度對光源輸出的影響

引擎室的溫度在燈具附近最高可到85℃，配合Lumiled K2可有100℃的散熱空間，但若配合一般的LED則只有40℃的散熱空間，觀察相關(guān)熱阻，R_Junction-Slug、R_Slug-Board都決定于封裝體，對設計者而言只能針對R_Board-Ambient努力，其中包括如何將封裝體固定于散熱基板上(接著質(zhì)量)、散熱結(jié)構(gòu)外型設計、主被動散熱考慮與外部環(huán)境等條件。因此在此處應該與機構(gòu)進行相關(guān)模擬設計，取得燈具在引擎室內(nèi)的流場與溫度條件后再考慮所需的散熱模式，若選用被散動熱得需要較大的散熱空間，對引擎是而言是不小的負擔，若選用主動式散熱，雖然所需散熱環(huán)境較小，但因為增加了風扇等可動件，反而需考慮此可動件可否通過車燈上的相關(guān)法規(guī)，包括震動、粉塵、腐蝕與濕氣等嚴苛環(huán)境。

圖9 封裝與散熱熱阻關(guān)系

LED在頭燈應用上遭遇的難題

LED應用于頭燈上在許多的車展上各家車廠都有展示相關(guān)的概念車，但在頭燈部分尚未看見有成品出現(xiàn)，仍有需多問題尚待解決。其中主要問題應在于亮度輸出、散熱問題與誤差設計。

頭燈的亮度需求近燈900流明，遠燈1100流明，整體需求2000流明，約是Lumiled生產(chǎn)40顆1W封裝體Luxeon emitter在25℃的總光源輸出，但當其外界溫度升高至50℃時，其效率將降至80%以下，且其光源輸出面積約90_2(氣體放電式燈泡約13_2)，設計難度亦隨之提升。

在LED產(chǎn)業(yè)中，應對磊晶造成芯片的不均勻而發(fā)展出所謂的分類銷售的過程，特別是高瓦數(shù)的芯片在LED產(chǎn)業(yè)上是全檢出貨，依照波長亮度進行分類，也因此封裝后的個體存在著細微的差距，此差距可能存在于亮度、色溫或是可靠度上。然而應用LED于頭燈時，不可避免會利用多顆芯片以輸出足夠亮度進行光學設計，此時需特別注意LED質(zhì)量檢測與質(zhì)量控制的環(huán)節(jié)，以確保相同質(zhì)量的光源輸出。

結(jié)語

自2003年以降，超過13家以上的車廠在相關(guān)車展上展出以LED頭燈為訴求的概念車。例如，Lexus車廠發(fā)布消息，在2007年中將推出一款以LED為頭燈的量產(chǎn)車。相信存在于LED的相關(guān)工程問題將在消費者的殷殷期盼下一一解決，且讓我們拭目以待。