照亮前方—LED汽車頭燈的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

摘要

    LED對于消費(fèi)者而言并不陌生，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于車上，依照不同的效能需求選擇適當(dāng)?shù)腖ED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(yīng)用于頭燈時將面臨光學(xué)設(shè)計(jì)與散熱設(shè)計(jì)等不同于傳統(tǒng)燈具之設(shè)計(jì)概念。然而也因其不同于傳統(tǒng)光源之特性，當(dāng)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(shè)計(jì)概念。

車上的LED

    LED已經(jīng)廣泛的應(yīng)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(yīng)用。

圖1 車上的LED應(yīng)用
資料來源：Toyota Gosei

    從LED的應(yīng)用歷史來看，早在1992年時已經(jīng)有LED應(yīng)用于第三剎車燈上的先例；而在2000年時則進(jìn)一步的應(yīng)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(shè)計(jì)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
資料來源：Detroit Auto Show

    LED先天上就具有體積小的優(yōu)勢，應(yīng)用于前置燈具時更可縮小整組燈具的體積，進(jìn)一步讓出寶貴的引擎空間與其它相關(guān)設(shè)備，以現(xiàn)有的鹵素燈泡或是放電式燈泡設(shè)計(jì)的燈具總長約300mm，而在許多概念車的設(shè)計(jì)上，LED燈具只有125mm長。而藉由體積小的優(yōu)勢，更可以配合設(shè)計(jì)多款不同的造型設(shè)計(jì)，進(jìn)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(shè)計(jì)。

不同需求的LED封裝應(yīng)用

    隨著應(yīng)用層面的不同，車廠也選用不同的LED光源封裝對應(yīng)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(jìn)行封裝，而因?yàn)闃渲臒醾鲗?dǎo)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(yīng)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?yàn)閾p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(dǎo)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(yīng)用產(chǎn)品以前照系統(tǒng)(遠(yuǎn)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(yīng)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(dá)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(dá)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(dá)15~40lm/W。以上都是已經(jīng)應(yīng)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(dǎo)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(yīng)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(yù)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?zé)襞?、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(shè)計(jì)

    開始著手設(shè)計(jì)頭燈之前，應(yīng)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(jìn)一步考慮相關(guān)光學(xué)設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，耐熱設(shè)計(jì)與電控設(shè)計(jì)等細(xì)節(jié)，對于LED而言，光學(xué)設(shè)計(jì)的考慮除了反射罩設(shè)計(jì)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(jìn)一步將影響反射罩或成像透競的要求，與傳統(tǒng)頭燈設(shè)計(jì)需考慮不同燈泡(H1、H4、H7、H11等)類似。在傳統(tǒng)的頭燈設(shè)計(jì)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(diǎn)落在整個頭燈腔體的均溫設(shè)計(jì)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(fù)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(shè)計(jì)的重要課題。

圖5 歐盟法規(guī)中的近光燈光型

    光學(xué)設(shè)計(jì)時先考慮法規(guī)需求，討論視角與強(qiáng)度關(guān)系，以近燈為例須針對其特殊的15度揚(yáng)角設(shè)計(jì)，如圖5所示。在傳統(tǒng)的燈具設(shè)計(jì)上由先期的利用反射罩配合透鏡刻紋作角度與強(qiáng)度的控制，演變成為利用反射罩直接控制強(qiáng)度角度，也發(fā)展出利用成像方式的魚眼透鏡設(shè)計(jì)法。不論何種的設(shè)計(jì)方式都須先考慮選用光源的特性，特別是角度與強(qiáng)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(jìn)而發(fā)展出來與之搭配的透鏡、反射罩、擋板、透鏡等光學(xué)組件。而利用LED作為光源設(shè)計(jì)燈具時，需重新考慮其光學(xué)特性由傳統(tǒng)的柱狀光源變?yōu)槠矫婀庠?不同的封裝設(shè)計(jì)有不同的光型輸出)，進(jìn)而搭配外部的光學(xué)組件而產(chǎn)生不同組合以應(yīng)用于不同產(chǎn)品，依照德國車燈大廠HELLA的設(shè)計(jì)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?zé)襞菖c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(xué)設(shè)計(jì)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(xué)設(shè)計(jì)取代既有的單一燈室設(shè)計(jì)，利用多組燈源達(dá)到傳統(tǒng)燈具的照明水平，除了降低光學(xué)設(shè)計(jì)的難度，也增加車體造型的設(shè)計(jì)感。

圖6 頭燈設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)
資料來源：Hella

圖7 LED光源設(shè)計(jì)
資料來源：Hella

    散熱設(shè)計(jì)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(yuǎn)高于LED，但傳統(tǒng)燈具不會因?yàn)楦邷囟档推涔庠摧敵瞿芰Γ獿ED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?yàn)榉庋b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
資料來源：Lumiled

    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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)、主被動散熱考慮與外部環(huán)境等條件。因此在此處應(yīng)該與機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)模擬設(shè)計(jì)，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(fù)擔(dān)，若選用主動式散熱，雖然所需散熱環(huán)境較小，但因?yàn)樵黾恿孙L(fēng)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(yán)苛環(huán)境。

圖9 封裝與散熱熱阻關(guān)系
資料來源：Lumiled

LED在頭燈應(yīng)用上遭遇的難題
 
    LED應(yīng)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(yīng)在于亮度輸出、散熱問題與誤差設(shè)計(jì)。

    頭燈的亮度需求近燈900流明，遠(yuǎn)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(dāng)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(shè)計(jì)難度亦隨之提升。

    在LED產(chǎn)業(yè)中，應(yīng)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(jìn)行分類，也因此封裝后的個體存在著細(xì)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(yīng)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(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，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(fèi)者的殷殷期盼下一一解決，且讓我們拭目以待。