中心論題：
- 介紹ＬＥＤ在汽車(chē)上的用途
- 滿足不同需求的ＬＥＤ封裝類(lèi)型介紹
- ＬＥＤ汽車(chē)頭燈應(yīng)用
- ＬＥＤ在頭燈應(yīng)用上遭遇的難題
解決方案：
- 光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)需要注意視角與強(qiáng)度
- 解決影響LED頭燈應(yīng)用的散熱問(wèn)題
ＬＥＤ對(duì)于消費(fèi)者而言并不陌生，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于車(chē)上，依照不同的效能需求選擇適當(dāng)?shù)模蹋牛漠a(chǎn)品，ＬＥＤ相較于傳統(tǒng)光源除了外型不同外，效能輸出與光型輸出亦大不相同，應(yīng)用于頭燈時(shí)將面臨光學(xué)設(shè)計(jì)與散熱設(shè)計(jì)等不同于傳統(tǒng)燈具之設(shè)計(jì)概念。然而也因其不同于傳統(tǒng)光源之特性，當(dāng)與車(chē)體成功整合克服技術(shù)難題后，將為車(chē)型開(kāi)創(chuàng)嶄新的設(shè)計(jì)概念。
車(chē)上的ＬＥＤ
ＬＥＤ已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于車(chē)內(nèi)的相關(guān)照明或指示用光源，由圖１可知，從車(chē)內(nèi)的儀表板燈、車(chē)頂燈、化妝燈、迎賓燈等，到車(chē)外的尾燈、前后轉(zhuǎn)向燈、倒車(chē)燈、第三剎車(chē)燈等都可見(jiàn)到ＬＥＤ的相關(guān)應(yīng)用。
從ＬＥＤ的應(yīng)用歷史來(lái)看，早在１９９２年時(shí)已經(jīng)有ＬＥＤ應(yīng)用于第三剎車(chē)燈上的先例；而在２０００年時(shí)則進(jìn)一步的應(yīng)用于尾燈、轉(zhuǎn)向燈與剎車(chē)燈；到了２００２年Ａｕｄｉ Ａ８率先將ＬＥＤ光源置于前置燈具內(nèi)作為日行燈，開(kāi)啟了設(shè)計(jì)師與工程師們?cè)谇爸脽艟叩南胂罂臻g。在之后的許多國(guó)際車(chē)展上都可以看到ＬＥＤ作為前照燈源的概念車(chē)，如圖２所示。
ＬＥＤ先天上就具有體積小的優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用于前置燈具時(shí)更可縮小整組燈具的體積，進(jìn)一步讓出寶貴的引擎空間與其它相關(guān)設(shè)備，以現(xiàn)有的鹵素?zé)襞莼蚴欠烹娛綗襞菰O(shè)計(jì)的燈具總長(zhǎng)約３００ｍｍ，而在許多概念車(chē)的設(shè)計(jì)上，ＬＥＤ燈具只有１２５ｍｍ長(zhǎng)。而藉由體積小的優(yōu)勢(shì)，更可以配合設(shè)計(jì)多款不同的造型設(shè)計(jì)，進(jìn)而為車(chē)體造型創(chuàng)造不同的視覺(jué)觀感，跳脫傳統(tǒng)燈具的圓形設(shè)計(jì)。
不同需求的ＬＥＤ封裝應(yīng)用
隨著應(yīng)用層面的不同，車(chē)廠也選用不同的ＬＥＤ光源封裝對(duì)應(yīng)不同的環(huán)境要求，依需求亮度不同可簡(jiǎn)單分為指示用、照明用與投射用三種不同需求。指示用光源可見(jiàn)于第三剎車(chē)燈、尾燈組（尾燈、剎車(chē)燈、轉(zhuǎn)向燈等）、側(cè)燈等，其光源輸出流明值低，所需功率低，約在７０ｍＷ￣２００ｍＷ，產(chǎn)生的熱量對(duì)于封裝體影響較小，因此在封裝上會(huì)忽略此熱量造成的影響，而直接利用樹(shù)脂類(lèi)材料包覆整體以進(jìn)行封裝，而因?yàn)闃?shù)脂的熱傳導(dǎo)系數(shù)低（Ｗ／ｍＫ），所以其相關(guān)熱阻會(huì)因散熱不易而升高至５０￣２００Ｋ／Ｗ；而照明用光源其封裝功率會(huì)相對(duì)提高，除了可應(yīng)用于指示用光源類(lèi)的產(chǎn)品之外，亦可用于亮度要求較高的日行燈、霧燈、前方向燈等，但也因?yàn)閾p耗功率增加（功率約在１￣５Ｗ），散熱部分不能如指示光源般不考慮散熱問(wèn)題，除了樹(shù)脂類(lèi)材料封裝外尚需利用金屬塊將熱導(dǎo)出以維持出光效率，其熱阻維持在１５Ｋ／Ｗ以下；而投射用光源則是光源封裝亮度需求最高者，其應(yīng)用產(chǎn)品以前照系統(tǒng)（遠(yuǎn)燈、近燈、霧燈等）為主，其單體封裝需在４Ｗ以上，而在熱阻上需小于５Ｋ／Ｗ，以確保在引擎室的高溫下能維持散熱能力，并保持光源輸出效率在可用的范圍內(nèi)。
不同的應(yīng)用層面，其總亮度需求也隨之不同，以?xún)?nèi)部照明而言大約需要８０流明的亮度，一般選用表面黏著型（ＳＭＴ）的封裝，單體封裝約２流明輸出，效率可達(dá)１５￣２０ｌｍ／Ｗ。以第三剎車(chē)燈而言大約需要３０ｌｍ的亮度，一般選用炮彈型的封裝結(jié)構(gòu)（φ＝５ｍｍ），單體封裝亮度約４流明，效率可達(dá)２０￣４０ｌｍ／Ｗ。
而尾燈組對(duì)于亮度需求約３００￣５００ｌｍ，一般選用１Ｗ的ＳＭＴ封裝結(jié)構(gòu)，單體封裝亮度約１０￣２０ｌｍ，效率可達(dá)１５￣４０ｌｍ／Ｗ。以上都是已經(jīng)應(yīng)用于車(chē)體的光源，而目前ＬＥＤ廠與車(chē)廠正積極合作，試著將ＬＥＤ導(dǎo)入前照系統(tǒng)（頭燈、霧燈）中，其中車(chē)廠對(duì)于頭燈的亮度需求約２０００流明的白光，ＬＥＤ廠目前則應(yīng)用高瓦數(shù)的ＳＭＴ ＬＥＤ封裝架構(gòu)，每單體封裝可輸出１００￣２００ｌｍ，效率預(yù)期提高至５０￣１００ｌｍ／Ｗ。
目前使用于車(chē)上的燈源可區(qū)分為白熾燈泡、鹵素?zé)襞荨怏w放電式燈泡與ＬＥＤ光源，其比較如圖４所示。
ＬＥＤ在頭燈的設(shè)計(jì)
開(kāi)始著手設(shè)計(jì)頭燈之前，應(yīng)先考慮法規(guī)上的相關(guān)規(guī)定，包括光型亮度，環(huán)境測(cè)試，亮度衰減等需求，進(jìn)一步考慮相關(guān)光學(xué)設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，耐熱設(shè)計(jì)與電控設(shè)計(jì)等細(xì)節(jié)，對(duì)于ＬＥＤ而言，光學(xué)設(shè)計(jì)的考慮除了反射罩設(shè)計(jì)之外，尚需考慮ＬＥＤ本身的出光光型，不同的封裝型態(tài)將產(chǎn)生不同的光型輸出，進(jìn)一步將影響反射罩或成像透競(jìng)的要求，與傳統(tǒng)頭燈設(shè)計(jì)需考慮不同燈泡（Ｈ１、Ｈ４、Ｈ７、Ｈ１１等）類(lèi)似。在傳統(tǒng)的頭燈設(shè)計(jì)上，燈泡本身的光子釋放來(lái)自加熱鎢燈絲，不會(huì)因自身發(fā)出的熱或來(lái)自引擎室的高溫而影響亮度輸出，散熱重點(diǎn)落在整個(gè)頭燈腔體的均溫設(shè)計(jì)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(lái)自燈泡的高溫（頭燈腔體約承受１００℃的溫度，霧燈腔內(nèi)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(duì)于ＬＥＤ而言，其光子釋放來(lái)自于ＰＮ接口的能階跳動(dòng)，與溫度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，溫度越高則光源輸出越弱，因此散熱成為ＬＥＤ作為光源設(shè)計(jì)的重要課題。
光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)先考慮法規(guī)需求，討論視角與強(qiáng)度關(guān)系，以近燈為例須針對(duì)其特殊的１５度揚(yáng)角設(shè)計(jì)，如圖５所示。在傳統(tǒng)的燈具設(shè)計(jì)上由先期的利用反射罩配合透鏡刻紋作角度與強(qiáng)度的控制，演變成為利用反射罩直接控制強(qiáng)度角度，也發(fā)展出利用成像方式的魚(yú)眼透鏡設(shè)計(jì)法。不論何種的設(shè)計(jì)方式都須先考慮選用光源的特性，特別是角度與強(qiáng)度的光型輸出（Ｂｅａｍ ｐａｔｔｅｒｎ），對(duì)傳統(tǒng)的光源而言，大多為柱狀光源，可產(chǎn)生類(lèi)似蝴蝶外型的光型輸出，進(jìn)而發(fā)展出來(lái)與之搭配的透鏡、反射罩、擋板、透鏡等光學(xué)組件。而利用ＬＥＤ作為光源設(shè)計(jì)燈具時(shí)，需重新考慮其光學(xué)特性由傳統(tǒng)的柱狀光源變?yōu)槠矫婀庠矗ú煌姆庋b設(shè)計(jì)有不同的光型輸出），進(jìn)而搭配外部的光學(xué)組件而產(chǎn)生不同組合以應(yīng)用于不同產(chǎn)品，依照德國(guó)車(chē)燈大廠ＨＥＬＬＡ的設(shè)計(jì)分類(lèi)，可將光源分為八大類(lèi)，如圖６ 所示。ＬＥＤ目前的單位面積發(fā)光量尚不及鹵素?zé)襞菖c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(xué)設(shè)計(jì)的難度也隨之提升，所以在現(xiàn)有的概念車(chē)上，都以模塊化光學(xué)設(shè)計(jì)取代既有的單一燈室設(shè)計(jì)，利用多組燈源達(dá)到傳統(tǒng)燈具的照明水平，除了降低光學(xué)設(shè)計(jì)的難度，也增加車(chē)體造型的設(shè)計(jì)感。
散熱設(shè)計(jì)是ＬＥＤ光源區(qū)別于傳統(tǒng)光源的課題之一。傳統(tǒng)燈具產(chǎn)生的熱遠(yuǎn)高于ＬＥＤ，但傳統(tǒng)燈具不會(huì)因?yàn)楦邷囟档推涔庠摧敵瞿芰Γ蹋牛牡墓廨敵鰠s會(huì)隨著本身接口（Ｊｕｎｃｔｉｏｎ， ＰＮ接口）溫度的升高而下降，如圖８所示。而其產(chǎn)生的熱如何散除到外界環(huán)境與其封裝結(jié)構(gòu)材料息息相關(guān)，牽涉到使用的散熱材料與相關(guān)外型，關(guān)系如圖９所示，其中熱阻的概念，代表輸入Ｗ功率時(shí)，需要提高多少Ｋ溫度才足以散熱。以現(xiàn)有的封裝技術(shù)最高可允許ＬＥＤ操作在１８５℃（Ｌｕｍｉｌｅｄ Ｋ２），但一般因?yàn)榉庋b膠材的關(guān)系，可允許的操作溫度約在１２５℃，除了考慮光源輸出效率之外，亦考慮封裝膠材的變質(zhì)（樹(shù)脂類(lèi)材料在高溫有老化現(xiàn)象）。
引擎室的溫度在燈具附近最高可到８５℃，配合Ｌｕｍｉｌｅｄ Ｋ２可有１００℃的散熱空間，但若配合一般的ＬＥＤ則只有４０℃的散熱空間，觀察相關(guān)熱阻，Ｒ＿Ｊｕｎｃｔｉｏｎ－Ｓｌｕｇ、Ｒ＿Ｓｌｕｇ－Ｂｏａｒｄ都決定于封裝體，對(duì)設(shè)計(jì)者而言只能針對(duì)Ｒ＿Ｂｏａｒｄ－Ａｍｂｉｅｎｔ努力，其中包括如何將封裝體固定于散熱基板上（接著質(zhì)量）、散熱結(jié)構(gòu)外型設(shè)計(jì)、主被動(dòng)散熱考慮與外部環(huán)境等條件。因此在此處應(yīng)該與機(jī)構(gòu)進(jìn)行相關(guān)模擬設(shè)計(jì)，取得燈具在引擎室內(nèi)的流場(chǎng)與溫度條件后再考慮所需的散熱模式，若選用被散動(dòng)熱得需要較大的散熱空間，對(duì)引擎是而言是不小的負(fù)擔(dān)，若選用主動(dòng)式散熱，雖然所需散熱環(huán)境較小，但因?yàn)樵黾恿孙L(fēng)扇等可動(dòng)件，反而需考慮此可動(dòng)件可否通過(guò)車(chē)燈上的相關(guān)法規(guī)，包括震動(dòng)、粉塵、腐蝕與濕氣等嚴(yán)苛環(huán)境。
ＬＥＤ在頭燈應(yīng)用上遭遇的難題
ＬＥＤ應(yīng)用于頭燈上在許多的車(chē)展上各家車(chē)廠都有展示相關(guān)的概念車(chē)，但在頭燈部分尚未看見(jiàn)有成品出現(xiàn)，仍有需多問(wèn)題尚待解決。其中主要問(wèn)題應(yīng)在于亮度輸出、散熱問(wèn)題與誤差設(shè)計(jì)。
頭燈的亮度需求近燈９００流明，遠(yuǎn)燈１１００流明，整體需求２０００流明，約是Ｌｕｍｉｌｅｄ生產(chǎn)４０顆１Ｗ封裝體Ｌｕｘｅｏｎ ｅｍｉｔｔｅｒ在２５℃的總光源輸出，但當(dāng)其外界溫度升高至５０℃時(shí)，其效率將降至８０％以下，且其光源輸出面積約９０＿２（氣體放電式燈泡約１３＿２），設(shè)計(jì)難度亦隨之提升。
在ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)中，應(yīng)對(duì)磊晶造成芯片的不均勻而發(fā)展出所謂的分類(lèi)銷(xiāo)售的過(guò)程，特別是高瓦數(shù)的芯片在ＬＥＤ產(chǎn)業(yè)上是全檢出貨，依照波長(zhǎng)亮度進(jìn)行分類(lèi)，也因此封裝后的個(gè)體存在著細(xì)微的差距，此差距可能存在于亮度、色溫或是可靠度上。然而應(yīng)用ＬＥＤ于頭燈時(shí)，不可避免會(huì)利用多顆芯片以輸出足夠亮度進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)，此時(shí)需特別注意ＬＥＤ質(zhì)量檢測(cè)與質(zhì)量控制的環(huán)節(jié)，以確保相同質(zhì)量的光源輸出。
結(jié)語(yǔ)
自２００３年以降，超過(guò)１３家以上的車(chē)廠在相關(guān)車(chē)展上展出以ＬＥＤ頭燈為訴求的概念車(chē)。例如，Ｌｅｘｕｓ車(chē)廠發(fā)布消息，在２００７年中將推出一款以ＬＥＤ為頭燈的量產(chǎn)車(chē)。相信存在于ＬＥＤ的相關(guān)工程問(wèn)題將在消費(fèi)者的殷殷期盼下一一解決，且讓我們拭目以待。
