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階段,預計要2年后才會邁入商業化量產階段。該文重點介紹了LED頭燈的技術進展和應用現狀。
關鍵詞: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點,已成為備受矚目的新一代汽車燈光源技術;但現有的LED光源技術大多應用在車輛內部儀表板背光,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階段,預計要2年后才會進入商業化應用階段。
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過LED廠、汽車廠商及汽車協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頭燈的發光源標準來設計,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保等優點,由于可采用平面封裝技術、設計自由度高,對于整體汽車產業來說,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發光效率超過氣體放電燈已經指日可待,預計年內就可以達到,這為汽車頭燈推廣應用LED光源創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、電氣參數必須穩定并且有一致性,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,讓LED車燈能順利運作,成為設計關鍵。最新的進展表明LED汽車光源完全有可能在二年內進入實用階段。
1??頭燈技術的進展
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芯片內部全反射所造成的內部光子損失,與高電流密度導致LED芯片內部量子效率下降等。這些問題目前均已有相關的技術方案可以解決。如LED芯片內部全反射所造成的內部光子損失的問題,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,以免損失太多發光區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共晶粘著技術來解決。由于采覆晶式封裝時,導熱基板距離LED芯片散熱區域近,因此散熱效果較好,發光亮度的衰減也較其它封裝技術改善許多。
綜述高亮度LED在車用照明系統的發展已有初步成果,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,將是業者掌握高亮度LED車用市場的重要關鍵。
1.2??LED封裝耐熱技術有待克服
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,儀表板已成為車內照明的主力市場,預計2010年超高亮度(UltraHighBrightness,UHB)LED在車頭燈的產值可達1.4億美元?？梢娷囶^燈將成為下一階段車用照明的主力戰場,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難題,如LED的發光效率、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)便已經展示出成功的車頭燈模塊樣本。
1.3??LED車用頭燈技術力求突破
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資源,并且根據市場預估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、節省能源特性,十分符合環保的需求,上述高亮度LED優異之處正是誘使全球車用高亮度LED相關業者相繼投入市場研發的因素。
由于高亮度LED車用頭燈仍有諸多技術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)以及整體構造(Archtecture)等方面。以耐熱設計問題來說,傳統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,其耐熱度效能非常良好以及具備高抗沖擊強度,因此獲得大多數廠商所采用。而且,一般車燈所產生流明(lm)不會隨著熱上升而改變其數值,但是高亮度LED發熱量很高,造成整體車頭燈系統無法形成散熱對流,造成高亮度LED車頭燈一項艱巨的困難技術,也是現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,研發推出金屬陶瓷封裝新型技術,以改善高亮度LED傳統封裝技術因為發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定適路性照明系統(AdaptiveFrontLightingSystem,AFS),該設計主要在于補足汽車行進間轉彎時所造成死角或者路面反射不足等問題,上述問題皆可經由適路性照明系統規定在于照明角度整體設計的調整,以達到最佳照明效益,并防止交通事故的發生機率?？梢灶A期的是,未來高亮度LED車頭燈的適路性照明系統規定將成為高亮度LED車頭燈設計時的另一項研發重點。
適路性汽車頭燈照明系統(AdaptiveFront-light??ingSystem;AFS)已成為未來智能型白光LED車燈照明發展趨勢,目前各國車燈制造廠商也對此照明系統大力投入研究開發。
在90年代初期,由于以下兩大領域的新科技運用,使得車輛前方照明系統得以提升駕駛視野,及改進其它用路人視覺舒適及安全兩方面進一步發展。其中,以新的白光LED作為主要發光材料,以先進傳感器及車用電子與制動器相結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業應用,并提供汽車頭燈特殊照明。
因此,適路性頭燈照明系統在發展一段時間后,歐洲法規方面對適路性前方照明系統也定出了一些原則特性,原則中,提出適路前方照系統包含三大元素,位于車輛右側及左側之照明元件、系統控制與供應及操作裝置。其架構系統見圖1。
如何依據AFS法規原則加以研究開發,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,而不是利用傳統車燈以驅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頭燈雛型的系統功能設計,依照AFS規范要求,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。
根據汽車制造業的習慣來看,傳統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表的白光LED頭燈目前的設計與產品發展狀況。
在2008年后,白光LED發光效率將超過HID:斯坦利電氣(Stanley)推出的汽車頭燈是與德國海拉(Hella)聯合開發的。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,據該公司公布數據表示,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的發光效率的提高,雖然在過去一段時間白光LED的發光效率出現遲緩的發展,但在此之后又有了令人期待的發展。Stanley內部人員更大膽預言,到了2008年前后,白光LED頭燈將會與HID燈的發光效率并駕齊驅。
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。據該廠商表示,在近光燈點亮時的光束可達到800lm~1000lm;另外,也可根據行駛狀態,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100km),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,若在市區行駛時,中央部分的上邊3個與中央部兩側配備的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光源系統的能量轉換效率為65%:歐司朗(OSRAM)也推出名為?OSTAR#的白光LED汽車頭燈模塊;其架構是將4個1mm大型LED芯片,并將其整合封裝后,使每個模塊的光束高達300lm。
另外,OSRAM也使用OSTAR研發出驅動白光LED模塊的電源IC在內的光源系統,只要經由該系統通上電后,便具有65%的光能轉換效率,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頭燈的未來已經非常接近。
不過,要使白光LED成為汽車頭燈的主要光源,相關部份的交通法規將要修訂。例如,聯合國歐洲經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,倘若法規修訂尚未通過,汽車市場導入白光LED頭燈的過程將會持續延續下去。