【導讀】采用LEDs制造的汽車前大燈燈泡具有壽命長、亮度高、投射距離遠等顯著優(yōu)點，己經成為大面積替代鹵素燈和氙氣燈的優(yōu)選光源，由多光束智能強光LEDs制造的自適應汽車前大燈亦已成為下一代汽車前大燈的趨勢。
由圖一可知，從道路照明實況看，用LEDs光源的汽車前大燈在視覺、亮度與投射距離方面明顯優(yōu)于使用鹵素燈的汽車前大燈，前者的壽命更是后者的好幾十倍。
圖一：上圖為采用鹵素燈的汽車前大燈近（左）遠（右）光效果，下圖為采用LED的汽車前大燈近（左）遠（右）光效果。
盡管LEDs是一種新的照明光源，就汽配與后裝市場而言，因為必須使用汽車前大燈原有的燈體系統(tǒng)，所以在設計上用LEDs汽車前大燈燈泡的外形尺寸、固定方式與接口、電源與控制、發(fā)光區(qū)形狀、亮度與光通量等應該盡量做到與鹵素燈泡和氙氣燈泡一致。
當替代鹵素燈泡和氙氣燈泡使用時，就不需要對燈體作大的改動。作為一種新的替代光源，使用LEDs的汽車前大燈必須給用戶帶來新的體驗，不僅在壽命和可靠性上要有明顯提升，而且在不增加甚至在減少炫光的同時，能大幅增加地面照度與投射距離。
圖二：鹵素燈泡（左）與氙氣燈泡（右）
由圖二可知，鹵素燈泡和氙氣燈泡均為線性光源，其光亮區(qū)域的長度約4-6mm，直徑約為1-1.2mm，作為替代鹵素燈泡和氙氣燈泡的LEDs汽車前大燈燈泡，其理想發(fā)光區(qū)域應為 4-6mm x 1.1-1.2mm。顯然，發(fā)光區(qū)域呈線性的LEDs是制造LEDs汽車前大燈燈泡的首選光源。
LEDs作為成熟的光源己廣泛應用于照明、背光、顯示等領域，強光LEDs以小尺寸、大電流、高可靠為特征，主要應用于方向性投射類照明領域，如汽車前大燈、摩托車燈、微型投影儀、舞臺照明、便攜式強光照明、超長距離探照燈等。目前，應用于汽車前大燈和摩托車燈的強光LED封裝形式有COBs （chip on board的縮寫），CSP（chip scale package的縮寫）-COBs、2016-LEDs或CSP-LEDs，大功率陶瓷基LEDs和汽車前大燈專用LED模組。
▲ 圖三：采用COBs制造的汽車前大燈燈泡
圖三為采用COBs制造的汽車前大燈燈泡。這類光源的光通量可以很高，主要取決于發(fā)光面積的大小。一般可以達到2000-3000LM。COBs通常是面光源，不屬于線性光源。即使把COBs的發(fā)光區(qū)圍成長條形，采用導熱性能良好的陶瓷或超導鋁作為基板，受封裝形式的限制，仍然無法實現(xiàn)小尺寸大電流高可靠的目標。用COBs 做的汽車前大燈燈泡，由于其發(fā)光區(qū)形狀與鹵素燈泡和氙氣燈泡的相差甚遠，許多發(fā)自線性區(qū)域之外的光都變成了有害的雜散光和炫光，不僅不能提升道路表面的有效照度，還破壞了投射光束的光形與亮度分布。一味增加光通量，不僅帶來了更加嚴重的散熱問題，嚴重的炫光和畸形的光強分布反而會成為安全的隱患。用COBs 制造的汽車前大燈燈泡盡管成本很低，但可靠性和光形比較差，只能屬于初級產品，己被主流市場所淘汰。
圖四：采用大功率陶瓷基LEDs 制造的汽車前大燈燈泡。
圖四為采用大功率陶瓷基LEDs 制造的汽車前大燈燈泡。大功率陶瓷基LEDs 屬于小尺寸、大電流、高可靠強光LED 光源，主要有CREE 的XHP35，XHP50，XHP70，XML-2 等為代表。由于大功率陶瓷基LEDs帶有常規(guī)LEDs 的透鏡和往往使用高光效的垂直芯片，其發(fā)光效率通常比其它LEDs 來得高。所使用的陶瓷基板，由于具有低的熱阻，使得大功率陶瓷基LEDs 可以在超驅條件下正常使用。
受封裝形式的限制，大功率陶瓷基LEDs 內的芯片只能呈方形排布，經過透鏡，其發(fā)光區(qū)域呈現(xiàn)為圓形。顯然，當大功率陶瓷基LEDs 汽車前大燈燈泡裝入整燈后，許多發(fā)自線性區(qū)域之外的光都變成了有害的雜散光和炫光，不僅不能提升道路表面的有效照度，還會破壞了投射光束的光形與亮度分布。另外，大功率陶瓷基LEDs 受基板尺寸的影響，體積都很大，主流產品為7070， 5050 和3535。如果為了增加光通量，把二顆大功率陶瓷基LEDs 緊密排布在窄小的汽車前大燈線路板上，會出現(xiàn)暗區(qū)，光通量浪費更大，得不償失。
盡管大功率陶瓷基LEDs 在汽車前大燈中使用時有其不可克服的缺點，但憑其相對成熟的封裝形式和高光效還是得到了市場的青睞。目前，大部分LED 汽車前大燈燈泡都采用大功率陶瓷基LEDs，國內外主要供應商有美國CREE、韓國LG、臺灣威天、江西晶瑞等。隨著性價比和用戶體驗更佳的線性強光LED光源的出現(xiàn)，如下面所述的2016-LEDs 和CSP-COBs，大功率陶瓷基LEDs 在汽車前大燈上的應用可能會被逐步替代。
圖五：采用2016-LEDs 制造的汽車前大燈燈泡。
圖五為用2016-LEDs 制造的汽車前大燈燈泡，其特點是把外形尺寸為2mmx1.6mm 的LEDs 呈線性排列貼布在汽車前大燈的燈板上。目前主要是采用Philips Lumileds 的LUXEON Z 和ZES。 2016-LEDs 原設計是用于閃光燈，屬于小尺寸、大電流、高可靠強光LED 光源。為確保在大功率使用條件下有足夠的光效、良好的導熱以及能把發(fā)光角度控制在120°以內，2016-LEDs 往往采用大尺寸倒裝、垂直或薄膜倒裝芯片加陶瓷基板封裝技術，其制造成本與使用成本都比較高。目前，2016-LEDs主要用于制造高端LED 汽車前大燈燈泡。2016-LEDs 的主要供應商有美國Philips Lumileds、韓國三星、臺灣億光、深圳大道半導體、廣州鴻利、廣州晶科、江西晶能等。
以小尺寸為特點的CSP-LEDs 也被應用到LED 汽車前大燈。目前，CSP-LEDs 的種類比較多，制作工藝與技術也千差萬別，目前主要以五面發(fā)光的CSP-LEDs 為主。因為CSP-LEDs 上的熒光膠層是立體包裹在倒裝芯片的四周，粘著性比較差，在固晶和回流焊過程中，任何機械碰撞，熔錫作用和熱膨脹系數差異都會導致熒光膠層從倒裝芯片上脫落而失效。
顯然，相比2016-LEDs，CSP-LEDs 不太適合用于制作高可靠的汽車前大燈。目前，CSP-LEDs 的國內外主要供應商有韓國三星與首爾、臺灣晶電、深圳東昊光、中山立體光電等。
圖六：用深圳大道半導體制造的CSP-COBs 改裝圖四所示的用大功率LEDs 制造的汽車前大燈
圖六為采用CSP-COBs 制造的汽車前大燈燈泡。CSP-COBs 是先把倒裝芯片呈線性排列貼布在氮化鋁陶瓷基板表面上，然后再用噴涂的方法把熒光膠立體包裹在倒裝芯片四周，其外形與貼布在線路板表面的CSP-LEDs 相類似，故可稱之為CSP-COBs。
CSP-COBs 中，倒裝芯片與氮化鋁陶瓷基板的完美組合使得CSP-COBs 具有最低的導熱熱阻，可允許工作的電流密度很高。呈線性緊密排布的倒裝芯片在CSP-COBs 上形成的發(fā)光區(qū)域不僅不會產生暗區(qū)，中心亮度很高，而且在照射表面的中心照度也很高。裝入汽車前大燈后，由于沒有雜散光浪費，光通量的利用率很高。一般，用光通量僅為1200-1500LM的CSP-COBs 作為光源的汽車前大燈的中心照度就能達到用光通量超過2000LM 的大功率陶瓷基LEDs 作為光源的汽車前大燈的中心照度，減少的熱量超過20%。
此外，CSP-COBs 的基板尺寸通常為5mmx5mm 或7mmx7mm，背面有電極焊墊與散熱焊墊，其尺寸與CREE XHP50 和XHP70 完全相同。使用時，5050 和7070 CSP-COBs 可以分別直接替換CREEXHP50和XHP70，無需變更原來的線路板與燈體設計。因為CSP-COBs背面的散熱焊墊面積很大，即使把CSP-COBs 焊接到用常規(guī)覆銅金屬基板制造的汽車前大燈線路板上，也不會出現(xiàn)線路板燒毀問題，可靠性很高。
CSP-COBs 表面沒有模壓成形的透鏡，使得其光形更加接近鹵素燈和氙氣燈，投射出來的光形與光強分布更加相近。因為沒有模壓成形的透鏡保護，包裹在倒裝芯片表面的熒光膠層相對透鏡比較容易受到損失，有些產品還很容易脫落，使得CSP-COBs 在固晶回流時的良率比較低。裝燈時也要注意避免觸摸CSP-COBs 的發(fā)光區(qū)表面。
目前，CSP-COBs 的主要供應商有深圳福侖德、廣州添鑫、深圳大道半導體、大連德豪潤達等。深圳大道半導體生產的CSP-COBs 的膠層粘著力相對比較強，不易損傷，發(fā)光角度相對小3-5°，使得在相同光通量下的中心照度較高。在5050 和7070 的基礎上，最近市場相繼推出了3570 和1860 等產品。
縮小基板尺寸可以降低CSP-COBs 的制造成本，但不能給汽車前大燈在性能和用戶體驗上有所改善。縮小的尺寸不僅需要變更線路板設計，更重要的是隨著散熱焊墊面積的減半，其熱阻隨之翻倍，影響發(fā)光區(qū)熱量向散熱器的傳導效率。當基板尺寸與芯片尺寸相近時，由于熒光膠包裹層非常接近基板邊緣，其粘接牢固度與抗硫化能力都會受到影響。顯而易見，CSP-COBs 如采用太小的基板尺寸將不利于導熱和產品可靠性。
圖七：左圖為Osram汽車前大燈專用模組，右圖為Philips汽車前大燈專用模組。
圖七是OSRAM 和Philips 的汽車前大燈專用LED 模組，主要應用于前裝市場和本身就是以汽車前大燈專用LED 模組設計的汽車前大燈的汽配與后裝市場。主要供應商有德國OSRAM，美國Philips Lumileds，韓國LG、日本日亞等，其中，OSRAM 和LG 采用了UX3 垂直芯片、Philips Lumileds 采用了TFFC 薄膜
倒裝芯片、日亞采用了倒裝芯片加圍壩與熒光玻璃等新的技術。目前，國內與臺灣企業(yè)采用的傳統(tǒng)正裝、倒裝與垂直芯片都不能滿足汽車前大燈專用LED 模組對光密度、發(fā)光角度、導熱以及可靠性等方面提出的苛刻要求。
從以上簡單的分析可以看到，在汽配和后裝市場，仍以替代傳統(tǒng)鹵素燈泡和氙氣燈泡為主。用強光LEDs制造的汽車前大燈燈泡在外形尺寸、固定方式與接口、電源與控制、發(fā)光區(qū)形狀、亮度與光通量等方面應該盡量做到與鹵素燈泡和氙氣燈泡一致。采用傳統(tǒng)COBs盡管制造成本低，但可靠性和光形比較差，己被主流市場所淘汰。
由于存在不可克服的缺點，且成本居高不下，大功率陶瓷基LEDs在汽車前大燈上的應用將逐步被性價比和用戶體驗更佳的線性強光LEDs光源所替代。線性強光LEDs光源可以是2016-LEDs呈線性排列貼布在線路板上，也可以是5050和7070 CSP-COBs。五面發(fā)光CSP-LEDs并不適合用于制作高可靠的汽車前大燈。汽車前大燈專用LED模組主要應用于前裝市場和本身就是以汽車前大燈專用LED模組設計的汽車前大燈的汽配與后裝市場。
