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0431-81702023
LED
LED头灯技术现状

LED头灯技术现状

沈培宏

(华东电子集团公司中央研究院,南京210028)

摘??要:LED汽车光源是当今推广应用半导体照明的主要热点之一,使用光通量最大的LED汽车头灯是工艺技术难度最大的新型光源属高档车灯用光源。车头灯受限于单颗LED亮度不够、价格太高等因素,世界各国仍处于研发阶段,预计要2年后才会迈入商业化量产阶段。该文重点介绍了LED头灯的技术进展和应用现状。

关键词:汽车;汽车光源;LED头灯

0??前言

LED由于具备小体积、寿命长、低耗电以及反应速度快等优点,已成为备受瞩目的新一代汽车灯光源技术;但现有的LED光源技术大多应用在车辆内部仪表板背光,或是车外的煞车灯、方向灯、倒车灯等部分,车头灯由于单颗LED亮度不够、易衰减、价格太高等因素,世界各国仍处于研发阶段,预计要2年后才会进入商业化应用阶段。

长期以来,汽车使用的头灯是以白炽灯、卤素头灯或氙气头灯(HighInten-sityDischargeheadlamps;HID)作为主发光源,并参照汽车灯的光学、电学及形状为主要标准,这些标准也在这两年中经过LED厂、汽车厂商及汽车协会大力推广下逐步而缓慢地改变着。

汽车电气专家认为,汽车厂很希望以白光LED光源来代替白炽灯的LED汽车头灯,不过,在设计上必须要参照传统头灯的发光源标准来设计,LED光源的基点属于阵列式,因此对于白光LED头灯而言,则是一项全新的思路。其技术路线必须要应用白光LED光源的单色性,不加滤色片直接选用不同波长的多个高效LED元件设计成分,才能满足汽车头灯具设计及加工的特殊性。

与传统白炽钨丝灯泡和日光灯相比较,LED除了具备寿命可延长10倍、耗电量仅10%、可在高频操作的高反应速度以及环保等优点,由于可采用平面封装技术、设计自由度高,对于整体汽车产业来说,LED车灯不但将为汽车零组件供应链带来大变革,未来汽车造型设计也将因此有更多的可能性。

白光LED发光效率超过气体放电灯已经指日可待,预计年内就可以达到,这为汽车头灯推广应用LED光源创造了十分有利的条件。需要解决的重点主要是高功率LED光源。LED车灯必须具备大功率、高效率与工作温度在-40??~125??的高可靠性,此外其光学、电气参数必须稳定并且有一致性,光强度衰减也不能超过20%;其中最难克服的一个部份就是散热的问题。

LED晶粒只要遇到高温,发光效率就会衰减甚至损坏,一般建议的工作温度是在80??以下,因此在车灯应用时,如何透过高效率的散热技术,LED车灯能顺利运作,成为设计关键。最新的进展表明LED汽车光源完全有可能在二年内进入实用阶段。

1??头灯技术的进展

1.1??高亮度LED的最终使用目标

除中央高位安装停止灯(CHMSL)与尾灯外,高亮度LED于车外光源系统的终极目标仍在头灯的应用。高亮度LED要达到这个目标,必须要克服车灯系统对光输出密度、均匀性及成本的严格要求。以均匀性而言,传统的LED芯片筛选过程中,并不能完全保证波长及亮度的均匀性,同时每一颗高亮度LED芯片的衰减程度不一也会影响发光的均匀。目前看来,使用高功率的LED芯片,是不错的解决之道。

然而,使用高功率LED在设计上仍有许多问题必须面对,如专利问题、散热问题、电流分布不均,以及由于LED芯片内部全反射所造成的内部光子损失,与高电流密度导致LED芯片内部量子效率下降等。这些问题目前均已有相关的技术方案可以解决。如LED芯片内部全反射所造成的内部光子损失的问题,可透过在芯片表面制作沟渠的方式,来增加侧向光的出光面积,不过必须注意沟渠的宽高比,以免损失太多发光区域或是因沟渠过小而无效果。

另外,在散热问题方面,则可采用覆晶式芯片封装与AuSn共晶粘着技术来解决。由于采覆晶式封装时,导热基板距离LED芯片散热区域近,因此散热效果较好,发光亮度的衰减也较其它封装技术改善许多。

综述高亮度LED在车用照明系统的发展已有初步成果,但在头灯应用上仍将面对散热及高亮度LED发光效率等问题,因此,如何避开国外大厂的专利,率先提出可行的解决方案,将是业者掌握高亮度LED车用市场的重要关键。

1.2??LED封装耐热技术有待克服

车厂采用高亮度LED作为指示或照明灯源的比例有逐年上升的趋势,包括福特(Ford)、三菱(Mit??subishi)、HondaBMWCadillac、马自达(Mazda)等出厂的车款都已经采用高亮度-LED在仪表板、锁匙孔照明、第三煞车灯、后照镜照明、车尾灯等作为车用照明。

根据iSuppi资料显示,每年汽车的出货量大约有6000万台,而高亮度LED在车尾灯的采用比例已经相当高,2004年高亮度LED在车尾灯市场的出货量已达2.6亿件,仪表板已成为车内照明的主力市场,预计2010年超高亮度(UltraHighBrightness,UHB)LED在车头灯的产值可达1.4亿美元。可见车头灯将成为下一阶段车用照明的主力战场,最先被使用在高档的汽车市场,唯有目前车头灯的应用还在测试研发阶段,市场估计在2007年会有正式的车款面世。

高亮度LED在车用照明市场已成大势所趋,未来LED亦将被导入头灯模块,LED车头灯模块在被大量商品化以前还有很多技术难题,LED的发光效率、LED封装体耐热能力、LED封装体的散热设计、头灯模块的散热设计及成本等议题有待克服。

LED的封装设计对于发光效率以及散热能力也占有很大的影响因素,白光高亮度LED封装上须考量光学效能、散热管理、散热稳定度、抗化学性以及光学设计5大要素。因此在芯片的种类、粘芯片(DieAttach)方式以及材料的选择适合与否成为设计上的关键。在散热设计上,则须采用高性能塑料材料如聚醚醚酮(Polyetheretherketone,Peek)、聚对苯二甲酸丁二醇酯(PolybutyleneTerephthalateResin,PBT)、聚醚醯亚胺(Polyetherimide,PEI)、聚醚??(Polyethersulfone,PES)等应用于汽车车灯部。

透过热的仿真得出晶圆的封装,必须具备176!176mm的铝金属材料,才能解决散热的问题,但是事实上,在有限的车头灯空间里面是很难达成的,因此须要透过热管、风扇、车体的特别散热解决方案,而日前在日本的汽车大展中欧司朗(OSRAM)以及丰田合成(ToyotaGosei)便已经展示出成功的车头灯模块样本。

1.3??LED车用头灯技术力求突破

车用LED的下一波应用趋势将是高亮度LED车用头灯,全球各大车厂目前积极投入大量研发资源,并且根据市场预估2008年高档车种将推出第一款高亮度LED车用头灯。该技术应用之所以备受市场瞩目,其主要原因在于高亮度LED车用头灯具备几项优点,分别为封装、尺寸小型化,因此可大幅减低车子前端的深度,使得整体设计更为弹性化,相较于一般灯泡高亮度LED使用效能大幅提高以及寿命期长久,预计可达10万小时寿命、节省能源特性,十分符合环保的需求,上述高亮度LED优异之处正是诱使全球车用高亮度LED相关业者相继投入市场研发的因素。

由于高亮度LED车用头灯仍有诸多技术及设计瓶颈尚待克服,例如光学设计(Optical)、耐热设计部份(Thermal)、电力管理(Electrical)以及整体构造(Archtecture)等方面。以耐热设计问题来说,传统车用头灯则是采用卤素灯泡,使用功率采用被动式设计,以形成散热自然对流的机制,此外,目前车用前灯玻璃嵌槽大多使用聚碳酸酯(PC)或是压克力材质,其耐热度效能非常良好以及具备高抗冲击强度,因此获得大多数厂商所采用。而且,一般车灯所产生流明(lm)不会随着热上升而改变其数值,但是高亮度LED发热量很高,造成整体车头灯系统无法形成散热对流,造成高亮度LED车头灯一项艰巨的困难技术,也是现今各家厂商极力改善的重点之一。如同日前台湾工研院光电所则是在于高亮度LED封装技术,研发推出金属陶瓷封装新型技术,以改善高亮度LED传统封装技术因为发热量过高而必须另外加装散热风扇或者散热片的缺点,并达到开孔散热对流的效能。另外,高亮度LED车头灯除了散热问题需要解决之外,如何防止尘埃以及防潮试验,也是设计时必须考量的条件因素,部分厂商提出运用具备防水透气特性的薄膜材料(GoreTex),以达到防尘透气的机制。

1.4??适路性照明与白光LED头灯未来发展趋势

目前欧洲以及日本等国针对高强度气体放电灯(HID)和高亮度LED汽车灯用设备应用立法规定适路性照明系统(AdaptiveFrontLightingSystem,AFS),该设计主要在于补足汽车行进间转弯时所造成死角或者路面反射不足等问题,上述问题皆可经由适路性照明系统规定在于照明角度整体设计的调整,以达到最佳照明效益,并防止交通事故的发生机率。可以预期的是,未来高亮度LED车头灯的适路性照明系统规定将成为高亮度LED车头灯设计时的另一项研发重点。

适路性汽车头灯照明系统(AdaptiveFront-light??ingSystem;AFS)已成为未来智能型白光LED车灯照明发展趋势,目前各国车灯制造厂商也对此照明系统大力投入研究开发。

90年代初期,由于以下两大领域的新科技运用,使得车辆前方照明系统得以提升驾驶视野,及改进其它用路人视觉舒适及安全两方面进一步发展。其中,以新的白光LED作为主要发光材料,以先进传感器及车用电子与制动器相结合成新兴的照明光源与计算机辅助工具,可使白光LED头灯设计更为贴近汽车产业应用,并提供汽车头灯特殊照明。

因此,适路性头灯照明系统在发展一段时间后,欧洲法规方面对适路性前方照明系统也定出了一些原则特性,原则中,提出适路前方照系统包含三大元素,位于车辆右侧及左侧之照明元件、系统控制与供应及操作装置。其架构系统见图1

如何依据AFS法规原则加以研究开发,目前雏型白光LED灯包含了三项功能,可视不同路况,包括:一般路面、都市路面、高速路面、湿路路面进行光线调整、失效模式(回复原始设定)与远光灯,其中的光线变化则是可利用白光LED光形叠加的概念,点亮不同的LED单元模块,以达到不同光线的设置,而不是利用传统车灯以驱动马达原理来达到适路性照明的功能。

在进行阵列式白光LED头灯设计前,只具单一功能白光LED模块设计将必须先行纳入考虑,主要是因为白光LED头灯功能,要求能符合AFS可变光形的分布情况,因此必须由数个不同反射镜模块来加以组合,才能达到此项设计要求。

另一方面在头灯的反射镜设计基础上,是采用3种光形的反射镜来达成LED头灯的近光灯基本光形设计,另外再加上远光光形的反射镜,使光形分布可依照头灯模块不同需求,再由反射镜加上遮光片后排列组合而成。

在分析设计完成最佳LED投射式单元后,开始进行智能型LED头灯雏型的系统功能设计,依照AFS规范要求,在雏型设计时,就必须以4种不同光形的近光灯光形及1个远光灯光形,其中LEDPES模块分为上中下共3,并以此为模块配对来达成适路性的光线需求。

根据汽车制造业的习惯来看,传统的车灯设计中是利用几何光学的光路追迹法来设计而成,并不会将物理光学理论中的干涉衍射,及色散对光能量的影响则不纳入考虑,因此头灯白光LED的强度与通过该点的光线数目成正比,且不受光程影响。另外,线光源能量也要达到分布均匀,功率密度也必须与总功率和长度成正比。

2??最新实用头灯

目前,绝大部分汽车头灯具的厂家,一般只在近光灯上搭配白光LED模块,而远光灯则使用HID灯。此外,与丰田、本田汽车合作的白光LED厂家也展出了汽车白光LED头灯光源,给人留下了白光LED模块正在走向大功率化的印象。在此,收集了StanleyOSRAM及日本小系等厂商所发表的白光LED头灯目前的设计与产品发展状况。

2008年后,白光LED发光效率将超过HID:斯坦利电气(Stanley)推出的汽车头灯是与德国海拉(Hella)联合开发的。该头灯样品是将4个大型LED芯片封装成一个大功率白光LED模块,在近光灯上配备5个这种模块、远光灯上配备2个。

近光灯点亮时的光束总计为700lm,据该公司公布数据表示,在未来必须确保白光LED能达到HID刚上市时的亮度,每个白光LED模块发出140lm左右的光束。在实验后的样品消耗的电力与同等亮度的HID灯相比,初步评估为HID1.4~1.6倍。

白光LED的发光效率的提高,虽然在过去一段时间白光LED的发光效率出现迟缓的发展,但在此之后又有了令人期待的发展。Stanley内部人员更大胆预言,到了2008年前后,白光LED头灯将会与HID灯的发光效率并驾齐驱。

适路性白光LED设计:日本小系(Koito)制作所推出的汽车头灯配备有11个白光LED模块,包括, 近光灯6个、在远光灯时则另加5个。据该厂商表示,在近光灯点亮时的光束可达到800lm~1000lm;另外,也可根据行驶状态,对近光灯用的白光LED模块点亮进行控制。

比方说,在高速驾驶行为中(超过100km),头灯中央部分的5个点亮,便能使头灯所投射的光束降低其照射范围,使光线具有远射的照明效果。另一方面,若在市区行驶时,中央部分的上边3个与中央部两侧配备的1个近光灯用白光LED模块点亮,扩大汽车头灯光线照射角度。

因此,使这项智能型的头灯设计兼具AFS功能,可使行驶在弯道时灯光的投射角度会随着汽车转向方向进行判断照明范围,也在头灯中央部位设计具有活动性。

白光LED光源系统的能量转换效率为65%:欧司朗(OSRAM)也推出名为?OSTAR#的白光LED汽车头灯模块;其架构是将41mm大型LED芯片,并将其整合封装后,使每个模块的光束高达300lm

另外,OSRAM也使用OSTAR研发出驱动白光LED模块的电源IC在内的光源系统,只要经由该系统通上电后,便具有65%的光能转换效率,而在散热方面,也在LED的光源背面搭配上散热片,借以提高光源冷却效率。

3??结束语

目前全球各大汽车展中,都能看到以白光LED作为汽车头灯的概念车款,不仅以外观亮丽而引人注目,也在实用化方面注入不少研发心血,包括:丰田汽车作为雷克萨斯品牌旗舰轿车推出的概念车?LF-Sh#,及丰田品牌下一代微型面包车的概念车等,也都搭配了白光LED头灯,这都使人感觉离白光LED头灯的未来已经非常接近。

不过,要使白光LED成为汽车头灯的主要光源,相关部份的交通法规将要修订。例如,联合国欧洲经济委员会审议汽车头灯的GRE法条,预计会在2年之后才能允许使用白光LED作为汽车头灯的主光源,倘若法规修订尚未通过,汽车市场导入白光LED头灯的过程将会持续延续下去。