摘??要:LED汽車光源是當今推廣應用半導體照明的主要熱點之一,使用光通量最大的LED汽車頭燈是工藝技術(shù)難度最大的新型光源屬高檔車燈用光源。車頭燈受限于單顆LED亮度不夠、價格太高等因素,世界各國仍處于研發(fā)階段,預計要2年后才會邁入商業(yè)化量產(chǎn)階段。該文重點介紹了LED頭燈的技術(shù)進展和應用現(xiàn)狀。 關(guān)鍵詞:汽車;汽車光源;LED頭燈
0??前言
LED由于具備小體積、壽命長、低耗電以及反應速度快等優(yōu)點,已成為備受矚目的新一代汽車燈光源技術(shù);但現(xiàn)有的LED光源技術(shù)大多應用在車輛內(nèi)部儀表板背光,或是車外的煞車燈、方向燈、倒車燈等部分,車頭燈由于單顆LED亮度不夠、易衰減、價格太高等因素,世界各國仍處于研發(fā)階段,預計要2年后才會進入商業(yè)化應用階段。
長期以來,汽車使用的頭燈是以白熾燈、鹵素頭燈或氙氣頭燈(HighInten-sityDischargeheadlamps;HID)作為主發(fā)光源,并參照汽車燈的光學、電學及形狀為主要標準,這些標準也在這兩年中經(jīng)過LED廠、汽車廠商及汽車協(xié)會大力推廣下逐步而緩慢地改變著。
汽車電氣專家認為,汽車廠很希望以白光LED光源來代替白熾燈的LED汽車頭燈,不過,在設計上必須要參照傳統(tǒng)頭燈的發(fā)光源標準來設計,但LED光源的基點屬于陣列式,因此對于白光LED頭燈而言,則是一項全新的思路。其技術(shù)路線必須要應用白光LED光源的單色性,不加濾色片直接選用不同波長的多個高效LED元件設計成分,才能滿足汽車頭燈具設計及加工的特殊性。
與傳統(tǒng)白熾鎢絲燈泡和日光燈相比較,LED除了具備壽命可延長10倍、耗電量僅10%、可在高頻操作的高反應速度以及環(huán)保等優(yōu)點,由于可采用平面封裝技術(shù)、設計自由度高,對于整體汽車產(chǎn)業(yè)來說,LED車燈不但將為汽車零組件供應鏈帶來大變革,未來汽車造型設計也將因此有更多的可能性。
白光LED發(fā)光效率超過氣體放電燈已經(jīng)指日可待,預計年內(nèi)就可以達到,這為汽車頭燈推廣應用LED光源創(chuàng)造了十分有利的條件。需要解決的重點主要是高功率LED光源。
LED車燈必須具備大功率、高效率與工作溫度在-40??~125??的高可靠性,此外其光學、電氣參數(shù)必須穩(wěn)定并且有一致性,光強度衰減也不能超過20%;其中最難克服的一個部份就是散熱的問題。
LED晶粒只要遇到高溫,發(fā)光效率就會衰減甚至損壞,一般建議的工作溫度是在80??以下,因此在車燈應用時,如何透過高效率的散熱技術(shù),讓LED車燈能順利運作,成為設計關(guān)鍵。最新的進展表明LED汽車光源完全有可能在二年內(nèi)進入實用階段。
1??頭燈技術(shù)的進展
1.1??高亮度LED的最終使用目標
除中央高位安裝停止燈(CHMSL)與尾燈外,高亮度LED于車外光源系統(tǒng)的終極目標仍在頭燈的應用。高亮度LED要達到這個目標,必須要克服車燈系統(tǒng)對光輸出密度、均勻性及成本的嚴格要求。以均勻性而言,傳統(tǒng)的LED芯片篩選過程中,并不能完全保證波長及亮度的均勻性,同時每一顆高亮度LED芯片的衰減程度不一也會影響發(fā)光的均勻。目前看來,使用高功率的LED芯片,是不錯的解決之道。
然而,使用高功率LED在設計上仍有許多問題必須面對,如專利問題、散熱問題、電流分布不均,以及由于LED芯片內(nèi)部全反射所造成的內(nèi)部光子損失,與高電流密度導致LED芯片內(nèi)部量子效率下降等。這些問題目前均已有相關(guān)的技術(shù)方案可以解決。如LED芯片內(nèi)部全反射所造成的內(nèi)部光子損失的問題,可透過在芯片表面制作溝渠的方式,來增加側(cè)向光的出光面積,不過必須注意溝渠的寬高比,以免損失太多發(fā)光區(qū)域或是因溝渠過小而無效果。
另外,在散熱問題方面,則可采用覆晶式芯片封裝與AuSn共晶粘著技術(shù)來解決。由于采覆晶式封裝時,導熱基板距離LED芯片散熱區(qū)域近,因此散熱效果較好,發(fā)光亮度的衰減也較其它封裝技術(shù)改善許多。
綜述高亮度LED在車用照明系統(tǒng)的發(fā)展已有初步成果,但在頭燈應用上仍將面對散熱及高亮度LED發(fā)光效率等問題,因此,如何避開國外大廠的專利,率先提出可行的解決方案,將是業(yè)者掌握高亮度LED車用市場的重要關(guān)鍵。
1.2??LED封裝耐熱技術(shù)有待克服
車廠采用高亮度LED作為指示或照明燈源的比例有逐年上升的趨勢,包括福特(Ford)、三菱(Mit??subishi)、Honda、BMW、Cadillac、馬自達(Mazda)等出廠的車款都已經(jīng)采用高亮度-LED在儀表板、鎖匙孔照明、第三煞車燈、后照鏡照明、車尾燈等作為車用照明。
根據(jù)iSuppi資料顯示,每年汽車的出貨量大約有6000萬臺,而高亮度LED在車尾燈的采用比例已經(jīng)相當高,2004年高亮度LED在車尾燈市場的出貨量已達2.6億件,儀表板已成為車內(nèi)照明的主力市場,預計2010年超高亮度(UltraHighBrightness,UHB)LED在車頭燈的產(chǎn)值可達1.4億美元。可見車頭燈將成為下一階段車用照明的主力戰(zhàn)場,最先被使用在高檔的汽車市場,唯有目前車頭燈的應用還在測試研發(fā)階段,市場估計在2007年會有正式的車款面世。
高亮度LED在車用照明市場已成大勢所趨,未來LED亦將被導入頭燈模塊,LED車頭燈模塊在被大量商品化以前還有很多技術(shù)難題,如LED的發(fā)光效率、LED封裝體耐熱能力、LED封裝體的散熱設計、頭燈模塊的散熱設計及成本等議題有待克服。
而LED的封裝設計對于發(fā)光效率以及散熱能力也占有很大的影響因素,白光高亮度LED封裝上須考量光學效能、散熱管理、散熱穩(wěn)定度、抗化學性以及光學設計5大要素。因此在芯片的種類、粘芯片(DieAttach)方式以及材料的選擇適合與否成為設計上的關(guān)鍵。在散熱設計上,則須采用高性能塑料材料如聚醚醚酮(Polyetheretherketone,Peek)、聚對苯二甲酸丁二醇酯(PolybutyleneTerephthalateResin,PBT)、聚醚醯亞胺(Polyetherimide,PEI)、聚醚??(Polyethersulfone,PES)等應用于汽車車燈部。
透過熱的仿真得出晶圓的封裝,必須具備176!176mm的鋁金屬材料,才能解決散熱的問題,但是事實上,在有限的車頭燈空間里面是很難達成的,因此須要透過熱管、風扇、車體的特別散熱解決方案,而日前在日本的汽車大展中歐司朗(OSRAM)以及豐田合成(ToyotaGosei)便已經(jīng)展示出成功的車頭燈模塊樣本。
1.3??LED車用頭燈技術(shù)力求突破
車用LED的下一波應用趨勢將是高亮度LED車用頭燈,全球各大車廠目前積極投入大量研發(fā)資源,并且根據(jù)市場預估2008年高檔車種將推出第一款高亮度LED車用頭燈。該技術(shù)應用之所以備受市場矚目,其主要原因在于高亮度LED車用頭燈具備幾項優(yōu)點,分別為封裝、尺寸小型化,因此可大幅減低車子前端的深度,使得整體設計更為彈性化,相較于一般燈泡高亮度LED使用效能大幅提高以及壽命期長久,預計可達10萬小時壽命、節(jié)省能源特性,十分符合環(huán)保的需求,上述高亮度LED優(yōu)異之處正是誘使全球車用高亮度LED相關(guān)業(yè)者相繼投入市場研發(fā)的因素。
由于高亮度LED車用頭燈仍有諸多技術(shù)及設計瓶頸尚待克服,例如光學設計(Optical)、耐熱設計部份(Thermal)、電力管理(Electrical)以及整體構(gòu)造(Archtecture)等方面。以耐熱設計問題來說,傳統(tǒng)車用頭燈則是采用鹵素燈泡,使用功率采用被動式設計,以形成散熱自然對流的機制,此外,目前車用前燈玻璃嵌槽大多使用聚碳酸酯(PC)或是壓克力材質(zhì),其耐熱度效能非常良好以及具備高抗沖擊強度,因此獲得大多數(shù)廠商所采用。而且,一般車燈所產(chǎn)生流明(lm)不會隨著熱上升而改變其數(shù)值,但是高亮度LED發(fā)熱量很高,造成整體車頭燈系統(tǒng)無法形成散熱對流,造成高亮度LED車頭燈一項艱巨的困難技術(shù),也是現(xiàn)今各家廠商極力改善的重點之一。如同日前臺灣工研院光電所則是在于高亮度LED封裝技術(shù),研發(fā)推出金屬陶瓷封裝新型技術(shù),以改善高亮度LED傳統(tǒng)封裝技術(shù)因為發(fā)熱量過高而必須另外加裝散熱風扇或者散熱片的缺點,并達到開孔散熱對流的效能。另外,高亮度LED車頭燈除了散熱問題需要解決之外,如何防止塵埃以及防潮試驗,也是設計時必須考量的條件因素,部分廠商提出運用具備防水透氣特性的薄膜材料(GoreTex),以達到防塵透氣的機制。
1.4??適路性照明與白光LED頭燈未來發(fā)展趨勢
目前歐洲以及日本等國針對高強度氣體放電燈(HID)和高亮度LED汽車燈用設備應用立法規(guī)定適路性照明系統(tǒng)(AdaptiveFrontLightingSystem,AFS),該設計主要在于補足汽車行進間轉(zhuǎn)彎時所造成死角或者路面反射不足等問題,上述問題皆可經(jīng)由適路性照明系統(tǒng)規(guī)定在于照明角度整體設計的調(diào)整,以達到最佳照明效益,并防止交通事故的發(fā)生機率。可以預期的是,未來高亮度LED車頭燈的適路性照明系統(tǒng)規(guī)定將成為高亮度LED車頭燈設計時的另一項研發(fā)重點。
適路性汽車頭燈照明系統(tǒng)(AdaptiveFront-light??ingSystem;AFS)已成為未來智能型白光LED車燈照明發(fā)展趨勢,目前各國車燈制造廠商也對此照明系統(tǒng)大力投入研究開發(fā)。
在90年代初期,由于以下兩大領(lǐng)域的新科技運用,使得車輛前方照明系統(tǒng)得以提升駕駛視野,及改進其它用路人視覺舒適及安全兩方面進一步發(fā)展。其中,以新的白光LED作為主要發(fā)光材料,以先進傳感器及車用電子與制動器相結(jié)合成新興的照明光源與計算機輔助工具,可使白光LED頭燈設計更為貼近汽車產(chǎn)業(yè)應用,并提供汽車頭燈特殊照明。
因此,適路性頭燈照明系統(tǒng)在發(fā)展一段時間后,歐洲法規(guī)方面對適路性前方照明系統(tǒng)也定出了一些原則特性,原則中,提出適路前方照系統(tǒng)包含三大元素,位于車輛右側(cè)及左側(cè)之照明元件、系統(tǒng)控制與供應及操作裝置。其架構(gòu)系統(tǒng)見圖1
明系統(tǒng)規(guī)定將成為高亮度LED車頭燈設計時的另一項研發(fā)重點。
適路性汽車頭燈照明系統(tǒng)(AdaptiveFront-light??ingSystem;AFS)已成為未來智能型白光LED車燈照明發(fā)展趨勢,目前各國車燈制造廠商也對此照明系統(tǒng)大力投入研究開發(fā)。
在90年代初期,由于以下兩大領(lǐng)域的新科技運用,使得車輛前方照明系統(tǒng)得以提升駕駛視野,及改進其它用路人視覺舒適及安全兩方面進一步發(fā)展。其中,以新的白光LED作為主要發(fā)光材料,以先進傳感器及車用電子與制動器相結(jié)合成新興的照明光源與計算機輔助工具,可使白光LED頭燈設計更為貼近汽車產(chǎn)業(yè)應用,并提供汽車頭燈特殊照明。
因此,適路性頭燈照明系統(tǒng)在發(fā)展一段時間后,歐洲法規(guī)方面對適路性前方照明系統(tǒng)也定出了一些原則特性,原則中,提出適路前方照系統(tǒng)包含三大元素,位于車輛右側(cè)及左側(cè)之照明元件、系統(tǒng)控制與供應及操作裝置。其架構(gòu)系統(tǒng)見圖1。
圖1??AFS訊號傳輸基本架構(gòu)圖
(資料來源:臺灣財團法人車輛研究中心)
如何依據(jù)AFS法規(guī)原則加以研究開發(fā),目前雛型白光LED燈包含了三項功能,可視不同路況,包括:一般路面、都市路面、高速路面、濕路路面進行光線調(diào)整、失效模式(回復原始設定)與遠光燈,其中的光線變化則是可利用白光LED光形疊加的概念,點亮不同的LED單元模塊,以達到不同光線的設置,而不是利用傳統(tǒng)車燈以驅(qū)動馬達原理來達到適路性照明的功能。
在進行陣列式白光LED頭燈設計前,只具單一功能白光LED模塊設計將必須先行納入考慮,主要是因為白光LED頭燈功能,要求能符合AFS可變光形的分布情況,因此必須由數(shù)個不同反射鏡模塊來加以組合,才能達到此項設計要求。
另一方面在頭燈的反射鏡設計基礎上,是采用3種光形的反射鏡來達成LED頭燈的近光燈基本光形設計,另外再加上遠光光形的反射鏡,使光形分布可依照頭燈模塊不同需求,再由反射鏡加上遮光片后排列組合而成。
在分析設計完成最佳LED投射式單元后,開始進行智能型LED頭燈雛型的系統(tǒng)功能設計,依照AFS規(guī)范要求,在雛型設計時,就必須以4種不同光形的近光燈光形及1個遠光燈光形,其中LEDPES模塊分為上中下共3排,并以此為模塊配對來達成適路性的光線需求。
根據(jù)汽車制造業(yè)的習慣來看,傳統(tǒng)的車燈設計中是利用幾何光學的光路追跡法來設計而成,并不會將物理光學理論中的干涉衍射,及色散對光能量的影響則不納入考慮,因此頭燈白光LED的強度與通過該點的光線數(shù)目成正比,且不受光程影響。另外,線光源能量也要達到分布均勻,功率密度也必須與總功率和長度成正比。
2??最新實用頭燈
目前,絕大部分汽車頭燈具的廠家,一般只在近光燈上搭配白光LED模塊,而遠光燈則使用HID
燈。此外,與豐田、本田汽車合作的白光LED廠家也展出了汽車白光LED頭燈光源,給人留下了白光LED模塊正在走向大功率化的印象。在此,收集了Stanley、OSRAM及日本小系等廠商所發(fā)表的白光LED頭燈目前的設計與產(chǎn)品發(fā)展狀況。
在2008年后,白光LED發(fā)光效率將超過HID:斯坦利電氣(Stanley)推出的汽車頭燈是與德國海拉(Hella)聯(lián)合開發(fā)的。該頭燈樣品是將4個大型LED
芯片封裝成一個大功率白光LED模塊,在近光燈上配備5個這種模塊、遠光燈上配備2個。近光燈點亮時的光束總計為700lm,據(jù)該公司公布數(shù)據(jù)表示,在未來必須確保白光LED能達到HID剛上市時的亮度,每個白光LED模塊發(fā)出140lm左右的光束。在實驗后的樣品消耗的電力與同等亮度的HID燈相比,初步評估為HID的1.4~1.6倍。
白光LED的發(fā)光效率的提高,雖然在過去一段時間白光LED的發(fā)光效率出現(xiàn)遲緩的發(fā)展,但在此之后又有了令人期待的發(fā)展。Stanley內(nèi)部人員更大膽預言,到了2008年前后,白光LED頭燈將會與HID燈的發(fā)光效率并駕齊驅(qū)。
適路性白光LED設計:日本小系(Koito)制作所推出的汽車頭燈配備有11個白光LED模塊,包括, 近光燈6 個、在遠光燈時則另加5 個。據(jù)該廠商表示, 在近光燈點亮時的光束可達到800 lm~ 1 000 lm;另外, 也可根據(jù)行駛狀態(tài), 對近光燈用的白光LED 模塊點亮進行控制。
比方說, 在高速駕駛行為中( 超過100 km) , 頭燈中央部分的5 個點亮, 便能使頭燈所投射的光束降低其照射范圍, 使光線具有遠射的照明效果。另一方面, 若在市區(qū)行駛時, 中央部分的上邊3 個與中央部兩側(cè)配備的1 個近光燈用白光LED 模塊點亮, 擴大汽車頭燈光線照射角度。
因此, 使這項智能型的頭燈設計兼具AFS 功能,可使行駛在彎道時燈光的投射角度會隨著汽車轉(zhuǎn)向方向進行判斷照明范圍, 也在頭燈中央部位設計具有活動性。
白光LED 光源系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率為65% : 歐司朗(OSRAM) 也推出名為? OSTAR#的白光LED 汽車頭燈模塊; 其架構(gòu)是將4 個1 mm 大型LED 芯片, 并將其整合封裝后, 使每個模塊的光束高達300 lm。
另外, OSRAM 也使用OSTAR 研發(fā)出驅(qū)動白光LED 模塊的電源IC 在內(nèi)的光源系統(tǒng), 只要經(jīng)由該系統(tǒng)通上電后, 便具有65%的光能轉(zhuǎn)換效率, 而在散熱方面, 也在LED 的光源背面搭配上散熱片, 借以提高光源冷卻效率。
3結(jié)束語
目前全球各大汽車展中, 都能看到以白光LED作為汽車頭燈的概念車款, 不僅以外觀亮麗而引人注目, 也在實用化方面注入不少研發(fā)心血, 包括: 豐田汽車作為雷克薩斯品牌旗艦轎車推出的概念車? LF- Sh#, 及豐田品牌下一代微型面包車的概念車等, 也都搭配了白光LED 頭燈, 這都使人感覺離白光LED 頭燈的未來已經(jīng)非常接近。
不過, 要使白光LED 成為汽車頭燈的主要光源,相關(guān)部份的交通法規(guī)將要修訂。例如, 聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟委員會審議汽車頭燈的GRE 法條, 預計會在2年之后才能允許使用白光LED 作為汽車頭燈的主光源, 倘若法規(guī)修訂尚未通過, 汽車市場導入白光LED頭燈的過程將會持續(xù)延續(xù)下去。