LED汽车头灯的设计要点

车上的ＬＥＤ
ＬＥＤ已经广泛的应用于车内的相关照明或指示用光源，由图１可知，从车内的仪表板灯、车顶灯、化妆灯、迎宾灯等，到车外的尾灯、前后转向灯、倒车灯、第三刹车灯等都可见到ＬＥＤ的相关应用。

从ＬＥＤ的应用历史来看，早在１９９２年时已经有ＬＥＤ应用于第三刹车灯上的先例；而在２０００年时则进一步的应用于尾灯、转向灯与刹车灯；到了２００２ 年Ａｕｄｉ　Ａ８率先将ＬＥＤ光源置于前置灯具内作为日行灯，开启了设计师与工程师们在前置灯具的想象空间。在之后的许多国际车展上都可以看到ＬＥＤ作为 前照灯源的概念车，如图２所示。
 

ＬＥＤ先天上就具有体积小的优势，应用于前置灯具时更可缩小整组灯具的体积，进一步让出宝贵的引擎空间与其它相关设备，以现有的卤素灯泡或是放电式灯泡设 计的灯具总长约３００ｍｍ，而在许多概念车的设计上，ＬＥＤ灯具只有１２５ｍｍ长。而藉由体积小的优势，更可以配合设计多款不同的造型设计，进而为车体造 型创造不同的视觉观感，跳脱传统灯具的圆形设计。
 

不同需求的ＬＥＤ封装应用
随着应用层面的不同，车厂也选用不同的ＬＥＤ光源封装对应不同的环境要求，依需求亮度不同可简单分为指示用、照明用与投 射用三种不同需求。指示用光源可见于第三刹车灯、尾灯组（尾灯、刹车灯、转向灯等）、侧灯等，其光源输出流明值低，所需功率低，约在 ７０ｍＷ￣２００ｍＷ，产生的热量对于封装体影响较小，因此在封装上会忽略此热量造成的影响，而直接利用树脂类材料包覆整体以进行封装，而因为树脂的热传 导系数低（Ｗ／ｍＫ），所以其相关热阻会因散热不易而升高至５０￣２００Ｋ／Ｗ；而照明用光源其封装功率会相对提高，除了可应用于指示用光源类的产品之 外，亦可用于亮度要求较高的日行灯、雾灯、前方向灯等，但也因为损耗功率增加（功率约在１￣５Ｗ），散热部分不能如指示光源般不考虑散热问题，除了树脂类 材料封装外尚需利用金属块将热导出以维持出光效率，其热阻维持在１５Ｋ／Ｗ以下；而投射用光源则是光源封装亮度需求最高者，其应用产品以前照系统（远灯、 近灯、雾灯等）为主，其单体封装需在４Ｗ以上，而在热阻上需小于５Ｋ／Ｗ，以确保在引擎室的高温下能维持散热能力，并保持光源输出效率在可用的范围内。

不同的应用层面，其总亮度需求也随之不同，以内部照明而言大约需要８０流明的亮度，一般选用表面黏着型（ＳＭＴ）的封装，单体封装约２流明输出，效率可达 １５￣２０ｌｍ／Ｗ。以第三刹车灯而言大约需要３０ｌｍ的亮度，一般选用炮弹型的封装结构（φ＝５ｍｍ），单体封装亮度约４流明，效率可达 ２０￣４０ｌｍ／Ｗ。

而尾灯组对于亮度需求约３００￣５００ｌｍ，一般选用１Ｗ的ＳＭＴ封装结构，单体封装亮度约１０￣２０ｌｍ，效率可达１５￣４０ｌｍ／Ｗ。以上都是已经应 用于车体的光源，而目前ＬＥＤ厂与车厂正积极合作，试着将ＬＥＤ导入前照系统（头灯、雾灯）中，其中车厂对于头灯的亮度需求约２０００流明的白光，ＬＥＤ 厂目前则应用高瓦数的ＳＭＴ　ＬＥＤ封装架构，每单体封装可输出１００￣２００ｌｍ，效率预期提高至５０￣１００ｌｍ／Ｗ。

目前使用于车上的灯源可区分为白炽灯泡、卤素灯泡、气体放电式灯泡与ＬＥＤ光源，其比较如图４所示。
 

ＬＥＤ在头灯的设计
开始着手设计头灯之前，应先考虑法规上的相关规定，包括光型亮度，环境测试，亮度衰减等需求，进一步考虑相关光学设计， 机构设计，耐热设计与电控设计等细节，对于ＬＥＤ而言，光学设计的考虑除了反射罩设计之外，尚需考虑ＬＥＤ本身的出光光型，不同的封装型态将产生不同的光 型输出，进一步将影响反射罩或成像透竞的要求，与传统头灯设计需考虑不同灯泡（Ｈ１、Ｈ４、Ｈ７、Ｈ１１等）类似。在传统的头灯设计上，灯泡本身的光子释 放来自加热钨灯丝，不会因自身发出的热或来自引擎室的高温而影响亮度输出，散热重点落在整个头灯腔体的均温设计而非灯泡的散热，但在头灯材料的选择上则需 考虑是否可承受来自灯泡的高温（头灯腔体约承受１００℃的温度，雾灯腔内温度可高至３００℃），所以在此选用的材料一般都以耐热材为主；然而对于ＬＥＤ而 言，其光子释放来自于ＰＮ接口的能阶跳动，与温度呈现负相关，温度越高则光源输出越弱，因此散热成为ＬＥＤ作为光源设计的重要课题。

光学设计时先考虑法规需求，讨论视角与强度关系，以近灯为例须针对其特殊的１５度扬角设计，如图５所示。在传统的灯具设计上由先期的利用反射罩配合 透镜刻纹作角度与强度的控制，演变成为利用反射罩直接控制强度角度，也发展出利用成像方式的鱼眼透镜设计法。不论何种的设计方式都须先考虑选用光源的特 性，特别是角度与强度的光型输出（Ｂｅａｍ　ｐａｔｔｅｒｎ），对传统的光源而言，大多为柱状光源，可产生类似蝴蝶外型的光型输出，进而发展出来与之搭配 的透镜、反射罩、挡板、透镜等光学组件。而利用ＬＥＤ作为光源设计灯具时，需重新考虑其光学特性由传统的柱状光源变为平面光源（不同的封装设计有不同的光 型输出），进而搭配外部的光学组件而产生不同组合以应用于不同产品，依照德国车灯大厂ＨＥＬＬＡ的设计分类，可将光源分为八大类，如图６　所示。ＬＥＤ目 前的单位面积发光量尚不及卤素灯泡与放电式灯泡，想得到相同的流明输出，ＬＥＤ需要较大的封装面积。随着光源输出面积的增加，光学设计的难度也随之提升， 所以在现有的概念车上，都以模块化光学设计取代既有的单一灯室设计，利用多组灯源达到传统灯具的照明水平，除了降低光学设计的难度，也增加车体造型的设计 感。

散热设计是ＬＥＤ光源区别于传统光源的课题之一。传统灯具产生的热远高于ＬＥＤ，但传统灯具不会因为高温而降低其光源输出能力，但ＬＥＤ的光输出却 会随着本身接口（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ，　ＰＮ接口）温度的升高而下降，如图８所示。而其产生的热如何散除到外界环境与其封装结构材料息息相关，牵涉到使用的 散热材料与相关外型，关系如图９所示，其中热阻的概念，代表输入Ｗ功率时，需要提高多少Ｋ温度才足以散热。以现有的封装技术最高可允许ＬＥＤ操作在 １８５℃（Ｌｕｍｉｌｅｄ　Ｋ２），但一般因为封装胶材的关系，可允许的操作温度约在１２５℃，除了考虑光源输出效率之外，亦考虑封装胶材的变质（树脂类 材料在高温有老化现象）。
 

引擎室的温度在灯具附近最高可到８５℃，配合Ｌｕｍｉｌｅｄ　Ｋ２可有１００℃的散热空间，但若配合一般的ＬＥＤ则只有４０℃的散热空间，观察相关 热阻，Ｒ＿Ｊｕｎｃｔｉｏｎ－Ｓｌｕｇ、Ｒ＿Ｓｌｕｇ－Ｂｏａｒｄ都决定于封装体，对设计者而言只能针对Ｒ＿Ｂｏａｒｄ－Ａｍｂｉｅｎｔ努力，其中包括如 何将封装体固定于散热基板上（接着质量）、散热结构外型设计、主被动散热考虑与外部环境等条件。因此在此处应该与机构进行相关模拟设计，取得灯具在引擎室 内的流场与温度条件后再考虑所需的散热模式，若选用被散动热得需要较大的散热空间，对引擎是而言是不小的负担，若选用主动式散热，虽然所需散热环境较小， 但因为增加了风扇等可动件，反而需考虑此可动件可否通过车灯上的相关法规，包括震动、粉尘、腐蚀与湿气等严苛环境。
 

ＬＥＤ在头灯应用上遭遇的难题
ＬＥＤ应用于头灯上在许多的车展上各家车厂都有展示相关的概念车，但在头灯部分尚未看见有成品出现，仍有需多问题尚待解决。其中主要问题应在于亮度输出、散热问题与误差设计。

头灯的亮度需求近灯９００流明，远灯１１００流明，整体需求２０００流明，约是Ｌｕｍｉｌｅｄ生产４０颗１Ｗ封装体Ｌｕｘｅｏｎ　ｅｍｉｔｔｅｒ在２５℃ 的总光源输出，但当其外界温度升高至５０℃时，其效率将降至８０％以下，且其光源输出面积约９０＿２（气体放电式灯泡约１３＿２），设计难度亦随之提升。

在ＬＥＤ产业中，应对磊晶造成芯片的不均匀而发展出所谓的分类销售的过程，特别是高瓦数的芯片在ＬＥＤ产业上是全检出货，依照波长亮度进行分类，也因此封 装后的个体存在着细微的差距，此差距可能存在于亮度、色温或是可靠度上。然而应用ＬＥＤ于头灯时，不可避免会利用多颗芯片以输出足够亮度进行光学设计，此 时需特别注意ＬＥＤ质量检测与质量控制的环节，以确保相同质量的光源输出。

结语
自２００３年以降，超过１３家以上的车厂在相关车展上展出以ＬＥＤ头灯为诉求的概念车。例如，Ｌｅｘｕｓ车厂发布消息，在２００７年中将推出一款以ＬＥＤ为头灯的量产车。相信存在于ＬＥＤ的相关工程问题将在消费者的殷殷期盼下一一解决，且让我们拭目以待。