LED车灯设计与应用.doc

LED车灯设计与应用汽車上的燈光系統不但讓駕駛者能實際了解車子的狀況，更提供了安全駕駛過程中，所必須兼具的條件。而新一代的光源LED，這對許多消費者來說一點也不陌生，甚至已進一步擴大應用於汽車上，並根據各個應用面對於效能的不同需求，選擇適宜的LED產品。基本上，由於LED與傳統的光源除了在外型上的差異之外，光形與效能輸出也有很大的差異，因此，要將LED完善地應用在汽車頭燈上，包括光學設計與散熱設計等，將與傳統汽車燈具的設計概念有所不同。一旦汽車能與LED成功地進行整合，並克服技術門檻之際，將可為汽車設計開創出嶄新的設計原理。汽車上的燈光控制系統從週遭的汽車上，可以看到LED已經廣泛地應用到車上，包括：轉向指示燈源、顯示或者是車內相關照明，如汽車顯示儀錶板、車頂照明燈，到車外的尾燈、前後指示燈、倒車燈、第三煞車燈等，或多或少都能見到LED在汽車燈源的相關應用。從系統的角度來說，汽車上的燈光控制是汽車主體控制架構中的一個子系統，主要包括：車門控制與儀表板顯示系統，而基本架構則是收集車上各個開關的狀態量，並進一步視其狀態來對車上燈源進行驅動，並負載所需動作的電能。由此可見，汽車主體控制系統控制必須是依照不同功率需求的燈源進行設計。換個角度，從LED在汽車上的應用來看，雖然LED在第三煞車燈的應用，到汽車尾燈、轉向燈到煞車燈，甚是在幾年前已將LED光源設置在車內作為照明之用，一步步開創了LED作為車內外照明之用的想像空間。不同的應用需求下必須有不同的LED封裝技術不同的LED元件有著不同的應用途徑及環境範圍，因此封裝方式也有其差異，倘若LED的晶片及封裝技術能夠進一步提升，產品亮度更可提高一倍。當隨著應用層次的不同，汽車中心廠必須要選擇不同LED光源與封裝技術，才能面對車上各個不同的環境要求。一般來說，LED在汽車工業方面的應用，乃是根據亮度的差異，將其簡單歸類為，指示燈號用、投射光源用與照明光源等三種不同類型的需求列示如下：指示燈號的應用由於此範圍所使用的LED光源流明值需求不高，其消耗功率也較低（約為70200mW），所生成的熱源對封裝體的影響較小，所以許多廠商在設計封裝時，往往會忽視掉熱源可能會導致的後果，因此，大部分是採用樹脂類的材料直接將LED整個包覆起來，再進行封裝的動作，也因為樹脂類的材料對於熱的傳導係數較低（W/mK），容易產生散熱不佳的情況，使得LED元件與散熱系統之間的介面熱阻係數，會因此而提高。車內照明光源應用除了上述所應用車內指示燈源之外，還可用於亮度要求較高的車內照明、霧燈與前後方向指示燈。因為亮度需求提高，其封裝功率也必須相對提升。不過，如此一來，LED很容易就會因為功率增加而影響到色彩衰減問題，因而不得不將散熱問題納入考慮的重點。在封裝設計上，除了可以使用樹脂類的材料封裝外，還可以設計一金屬塊能在第一時間便將LED所產生的熱源導出，以便維持LED的發光效率與熱阻問題。汽車投射燈源應用這是目前在LED在汽車應用上封裝亮度要求最高的一樣，以前照明系統為主，包含了霧燈、近燈、遠燈，單個體的封裝必須達到4W以上，而熱阻則必須小於5K/W，才能在高溫的環境下，正常維持LED主體的散熱能力，保持LED光源的輸出效率在規定範圍內。不同的應用層面對於亮度需求也有所不同基本上，以流明亮度的需求來看，一般在汽車內部所使用的照明設備大約需要80流明的亮度，大多採用表面黏著型（Surface Mount Technology；SMT）的封裝方式，單體封裝約為2流明輸出之多，其發光效率則可以達到1520lm/W之間。其次，車用的第三煞車光源則約略需要30流明的亮度，一般採用直徑5mm的炮彈型（Lamp）封裝技術，藉以加強設計光照角度及強度，再透過樹脂透鏡安裝在發光元件上，而達到對光的調節，其單體封裝亮度約4流明，發光效率則可達2040lm/W。至於，汽車尾燈對於亮度的要求，約在300500流明之間，一般採用1W的SMT封裝技術，單體封裝亮度約1020流明，效率可達1540lm/W。以上是安裝在汽車上實際作為車體的光源量測數據，而目前LED廠與車廠正積極合作，試著將LED導入前照系統（頭燈、霧燈）中，其中車廠對於頭燈的亮度需求約2,000流明的白光，LED廠目前則應用高瓦數的SMT LED封裝架構，每單體封裝可輸出100200流明，效率預期提高至50100lm/W，目前使用於車上的燈源可區分為白熾燈泡、鹵素燈泡、氣體放電式燈泡與LED光源。如何開始著手LED汽車頭燈設計規範要求開始著手設計頭燈之前，應先考慮法規上的相關規定，包括光型亮度、環境測試、亮度衰減等需求，進一步考慮相關光學設計，機構設計，耐熱設計與電控設計等細節，對於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，不同的封裝型態將產生不同的光型輸出，進一步將影響反射罩或成像透競的要求，與傳統頭燈設計需考慮不同燈泡（H1、H4、H7、H11等）類似。在傳統的頭燈設計上，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，如汽車頭燈腔體約承受100的溫度，霧燈腔內溫度可高至300，所以在此選用的材料一般都以耐熱材為主。然而對於LED而言，其光子釋放來自於PN介面的能階跳動，與溫度呈現負相關，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。光學設計光學設計時先考慮法規需求，討論視角與強度關係，以近燈為例須針對其特殊的15度揚角設計。在傳統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），對傳統的光源而言，大多為柱狀光源，可產生類似蝴蝶外型的光型輸出，進而發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的柱狀光源變為平面光源，進而搭配外部的光學組件而產生不同組合以應用於不同產品，依照德國車燈大廠HELLA的設計分類，可將光源分為八大類。LED目前的單位面積發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，所以在現有的概念車上，都以模組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燈具的照明水準，除了降低光學設計的難度，也增加車體造型的設計感。散熱問題由於LED的輸入電能約有90%的轉換熱能必須排出，這遠比傳統燈源要來的高上許多；另外，LED晶粒歸類於半導體材料，不能耐高溫（120C），由晶粒至大氣的排熱只容許約50C溫差，更是遠低於傳統燈泡，因此，散熱設計是LED光源區別於傳統光源的課題之一，再加上燈具不能使用風扇散熱，而且燈具產品要能推廣到汽車市場普及，還得要進一步考量到外觀造型與燈具的光學設計原理，這將是高功率LED照明設備極為困擾的問題。嚴格來說，傳統所使用的燈具所產生的熱源其實遠高於LED；不過，傳統燈具不會因為高溫而降低其光源輸出能力，但，LED的光輸出卻會因為本身介面問題，使LED的發光效率受到影響。而其產生的熱如何散除到外界環境與其封裝結構材料息息相關，牽涉到使用的散熱材料與相關外型。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。以現有的封裝技術最高可允許LED操作在185（Lumiled K2），但一般因為封裝膠材的關係，可允許的操作溫度約在125，除了考慮光源輸出效率之外，還必須要考慮封裝膠材的變質，例如，樹脂類材料在作為包覆LED晶體時，若在高溫時容易產生的老化現象。目前有廠商發展出以熱力均溫超導技術，可將LED所產生的熱源進行聚熱分散的效果；也就是說，當LED燈具的溫差在正負1度的範圍之間，再採用強制散熱技術，利用燈具所設計的防塵遮蔽的半開放式空間進行空氣換氣的動作，也就是可以讓空氣產生對流，而達到傳散熱能的效果。而這個發展概念就像人體散熱一樣，除靠皮膚散熱外，也靠第2個空間的肺，以進行呼吸獲得強制散熱。結論在LED產業中，磊晶過程中容易導致晶片不均勻的狀況發生，而發展出所謂的分類銷售的過程，尤其是瓦數較高的晶片，在LED產業中更必須要進行全檢才得以出貨，再根據LED波長進行下一步的細部分類，雖然在進行封裝之後，每顆LED的個體還是會在亮度、色溫、可靠度上存有細微的差異。而以LED作為汽車頭燈的應用，將會採用多個晶片設計方面，才得以輸出足夠的發光效率以進行汽車燈具的光學設計。另外，需要關注的是LED的品質檢測與品質管控，才能確保LED具有相同品質的燈源輸出效果。圖說：更高亮度和更低功耗是LED晶片產業的趨勢，而未來LED晶片必須要能同時滿足這2種需求，此外，低功率LED可以大幅延長電池壽命。（資料來源：ST）自從2004年以來，市場上至少已經超過13家以上的汽車廠商在相關車展中，相繼展示出LED頭燈為市場需求的概念車款。甚至，Lexus汽車更將於2007年，推出一款以LED為頭燈的量產汽車，相信以LED汽車上的燈