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从汽车前大灯看强光LED不同封装形式的优缺点

来源:Led网 时间:2016-12-12 13:47 [编辑:cnledw_bj] 【字体: 】 我来说两句

  采用LEDs制造的汽车前大灯灯泡具有寿命长、亮度高、投射距离远等显著优点,己经成为大面积替代卤素灯和氙气灯的优选光源,由多光束智能強光LEDs制造的自适应汽车前大灯亦已成为下一代汽车前大灯的趋势。

  由图一可知,从道路照明实况看,用LEDs光源的汽车前大灯在视觉、亮度与投射距离方面明显优于使用卤素灯的汽车前大灯,前者的寿命更是后者的好几十倍。

 图一:上图为采用卤素灯的汽车前大灯近(左)远(右)光效果,下图为采用LED的汽车前大灯近(左)远(右)光效果。【源自火丁智能照明】

  尽管LEDs是一种新的照明光源,就汽配与后装市场而言,因为必须使用汽车前大灯原有的灯体系统,所以在设计上用LEDs汽车前大灯灯泡的外形尺寸、固定方式与接口、电源与控制、发光区形状、亮度与光通量等应该尽量做到与卤素灯泡和氙气灯泡一致。

  当替代卤素灯泡和氙气灯泡使用时,就不需要对灯体作大的改动。作为一种新的替代光源,使用LEDs的汽车前大灯必须给用户带来新的体验,不仅在寿命和可靠性上要有明显提升,而且在不增加甚至在减少炫光的同时,能大幅增加地面照度与投射距离。


 图二:卤素灯泡(左)与氙气灯泡(右)【源自Philips

  由图二可知,卤素灯泡和氙气灯泡均为线性光源,其光亮区域的长度约4-6mm,直径约为1-1.2mm,作为替代卤素灯泡和氙气灯泡的LEDs汽车前大灯灯泡,其理想发光区域应为 4-6mm x 1.1-1.2mm。显然,发光区域呈线性的LEDs是制造LEDs汽车前大灯灯泡的首选光源。

  LEDs作为成熟的光源己广泛应用于照明、背光、显示等领域,强光LEDs以小尺寸、大电流、高可靠为特征,主要应用于方向性投射类照明领域,如汽车前大灯、摩托车灯、微型投影仪、舞台照明、便携式强光照明、超长距离探照灯等。目前,应用于汽车前大灯和摩托车灯的强光LED封装形式有COBs (chip on board的缩写),CSP(chip scale package的缩写)-COBs、2016-LEDs或CSP-LEDs,大功率陶瓷基LEDs和汽车前大灯专用LED模组。



 图三:采用COBs制造的汽车前大灯灯泡【源自360图片】

  图三为采用COBs制造的汽车前大灯灯泡。这类光源的光通量可以很高,主要取决于发光面积的大小。一般可以达到2000-3000LM。COBs通常是面光源,不属于线性光源。即使把COBs的发光区围成长条形,采用导热性能良好的陶瓷或超导铝作为基板,受封装形式的限制,仍然无法实现小尺寸大电流高可靠的目标。用COBs 做的汽车前大灯灯泡,由于其发光区形状与卤素灯泡和氙气灯泡的相差甚远,许多发自线性区域之外的光都变成了有害的杂散光和炫光,不仅不能提升道路表面的有效照度,还破坏了投射光束的光形与亮度分布。一味增加光通量,不仅带来了更加严重的散热问题,严重的炫光和畸形的光强分布反而会成为安全的隐患。用COBs 制造的汽车前大灯灯泡尽管成本很低,但可靠性和光形比较差,只能属于初级产品,己被主流市场所淘汰。


 图四:采用大功率陶瓷基LEDs 制造的汽车前大灯灯泡。 【拍摄自外购产品】

  图四为采用大功率陶瓷基LEDs 制造的汽车前大灯灯泡。大功率陶瓷基LEDs 属于小尺寸、大电流、高可靠强光LED 光源,主要有CREE 的XHP35,XHP50,XHP70,XML-2 等为代表。由于大功率陶瓷基LEDs带有常规LEDs 的透镜和往往使用高光效的垂直芯片,其发光效率通常比其它LEDs 来得高。所使用的陶瓷基板,由于具有低的热阻,使得大功率陶瓷基LEDs 可以在超驱条件下正常使用。

  受封装形式的限制,大功率陶瓷基LEDs 内的芯片只能呈方形排布,经过透镜,其发光区域呈现为圆形。显然,当大功率陶瓷基LEDs 汽车前大灯灯泡装入整灯后,许多发自线性区域之外的光都变成了有害的杂散光和炫光,不仅不能提升道路表面的有效照度,还会破坏了投射光束的光形与亮度分布。另外,大功率陶瓷基LEDs 受基板尺寸的影响,体积都很大,主流产品为7070, 5050 和3535。如果为了增加光通量,把二颗大功率陶瓷基LEDs 紧密排布在窄小的汽车前大灯线路板上,会出现暗区,光通量浪费更大,得不偿失。

  尽管大功率陶瓷基LEDs 在汽车前大灯中使用时有其不可克服的缺点,但凭其相对成熟的封装形式和高光效还是得到了市场的青睐。目前,大部分LED 汽车前大灯灯泡都采用大功率陶瓷基LEDs,国内外主要供应商有美国CREE、韩国LG、台湾威天、江西晶瑞等。随着性价比和用户体验更佳的线性强光LED光源的出现,如下面所述的2016-LEDs 和CSP-COBs,大功率陶瓷基LEDs 在汽车前大灯上的应用可能会被逐步替代。


 图五:采用2016-LEDs 制造的汽车前大灯灯泡。【拍摄自外购产品】

  图五为用2016-LEDs 制造的汽车前大灯灯泡,其特点是把外形尺寸为2mmx1.6mm 的LEDs 呈线性排列贴布在汽车前大灯的灯板上。目前主要是采用Philips Lumileds 的LUXEON Z 和ZES。 2016-LEDs 原设计是用于闪光灯,属于小尺寸、大电流、高可靠强光LED 光源。为确保在大功率使用条件下有足够的光效、良好的导热以及能把发光角度控制在120°以内,2016-LEDs 往往采用大尺寸倒装、垂直或薄膜倒装芯片加陶瓷基板封装技术,其制造成本与使用成本都比较高。目前,2016-LEDs主要用于制造高端LED 汽车前大灯灯泡。2016-LEDs 的主要供应商有美国Philips Lumileds、韩国三星、台湾亿光、深圳大道半导体、广州鸿利、广州晶科、江西晶能等。

  以小尺寸为特点的CSP-LEDs 也被应用到LED 汽车前大灯。目前,CSP-LEDs 的种类比较多,制作工艺与技术也千差万别,目前主要以五面发光的CSP-LEDs 为主。因为CSP-LEDs 上的荧光胶层是立体包裹在倒装芯片的四周,粘着性比较差,在固晶和回流焊过程中,任何机械碰撞,熔锡作用和热膨胀系数差异都会导致荧光胶层从倒装芯片上脱落而失效。

  显然,相比2016-LEDs,CSP-LEDs 不太适合用于制作高可靠的汽车前大灯。目前,CSP-LEDs 的国内外主要供应商有韩国三星与首尔、台湾晶电、深圳东昊光、中山立体光电等。

图六:用深圳大道半导体制造的CSP-COBs 改装图四所示的用大功率LEDs 制造的汽车前大灯。【拍摄自改装的外购产品】

  图六为采用CSP-COBs 制造的汽车前大灯灯泡。CSP-COBs 是先把倒装芯片呈线性排列贴布在氮化铝陶瓷基板表面上,然后再用喷涂的方法把荧光胶立体包裹在倒装芯片四周,其外形与贴布在线路板表面的CSP-LEDs 相类似,故可称之为CSP-COBs。

  CSP-COBs 中,倒装芯片与氮化铝陶瓷基板的完美组合使得CSP-COBs 具有最低的导热热阻,可允许工作的电流密度很高。呈线性紧密排布的倒装芯片在CSP-COBs 上形成的发光区域不仅不会产生暗区,中心亮度很高,而且在照射表面的中心照度也很高。装入汽车前大灯后,由于没有杂散光浪费,光通量的利用率很高。一般,用光通量仅为1200-1500LM的CSP-COBs 作为光源的汽车前大灯的中心照度就能达到用光通量超过2000LM 的大功率陶瓷基LEDs 作为光源的汽车前大灯的中心照度,减少的热量超过20%。

  此外,CSP-COBs 的基板尺寸通常为5mmx5mm 或7mmx7mm,背面有电极焊垫与散热焊垫,其尺寸与CREE XHP50 和XHP70 完全相同。使用时,5050 和7070 CSP-COBs 可以分别直接替换CREEXHP50和XHP70,无需变更原来的线路板与灯体设计。因为CSP-COBs背面的散热焊垫面积很大,即使把CSP-COBs 焊接到用常规覆铜金属基板制造的汽车前大灯线路板上,也不会出现线路板烧毁问题,可靠性很高。

  CSP-COBs 表面没有模压成形的透镜,使得其光形更加接近卤素灯和氙气灯,投射出来的光形与光强分布更加相近。因为没有模压成形的透镜保护,包裹在倒装芯片表面的荧光胶层相对透镜比较容易受到损失,有些产品还很容易脱落,使得CSP-COBs 在固晶回流时的良率比较低。装灯时也要注意避免触摸CSP-COBs 的发光区表面。

  目前,CSP-COBs 的主要供应商有深圳福仑德、广州添鑫、深圳大道半导体、大连德豪润达等。深圳大道半导体生产的CSP-COBs 的胶层粘着力相对比较强,不易损伤,发光角度相对小3-5°,使得在相同光通量下的中心照度较高。在5050 和7070 的基础上,最近市场相继推出了3570 和1860 等产品。

  缩小基板尺寸可以降低CSP-COBs 的制造成本,但不能给汽车前大灯在性能和用户体验上有所改善。缩小的尺寸不仅需要变更线路板设计,更重要的是随着散热焊垫面积的减半,其热阻随之翻倍,影响发光区热量向散热器的传导效率。当基板尺寸与芯片尺寸相近时,由于荧光胶包裹层非常接近基板边缘,其粘接牢固度与抗硫化能力都会受到影响。显而易见,CSP-COBs 如采用太小的基板尺寸将不利于导热和产品可靠性。


 图七:左图为OSRAM汽车前大灯专用模组,右图为Philips汽车前大灯专用模组。【Osram和Philips】

  图七是OSRAM 和Philips 的汽车前大灯专用LED 模组,主要应用于前装市场和本身就是以汽车前大灯专用LED 模组设计的汽车前大灯的汽配与后装市场。主要供应商有德国OSRAM,美国Philips Lumileds,韩国LG、日本日亚等,其中,OSRAM 和LG 采用了UX3 垂直芯片、Philips Lumileds 采用了TFFC 薄膜

  倒装芯片、日亚采用了倒装芯片加围坝与荧光玻璃等新的技术。目前,国内与台湾企业采用的传统正装、倒装与垂直芯片都不能满足汽车前大灯专用LED 模组对光密度、发光角度、导热以及可靠性等方面提出的苛刻要求。

  从以上简单的分析可以看到,在汽配和后装市场,仍以替代传统卤素灯泡和氙气灯泡为主。用强光LEDs制造的汽车前大灯灯泡在外形尺寸、固定方式与接口、电源与控制、发光区形状、亮度与光通量等方面应该尽量做到与卤素灯泡和氙气灯泡一致。采用传统COBs尽管制造成本低,但可靠性和光形比较差,己被主流市场所淘汰。

  由于存在不可克服的缺点,且成本居高不下,大功率陶瓷基LEDs在汽车前大灯上的应用将逐步被性价比和用户体验更佳的线性强光LEDs光源所替代。线性强光LEDs光源可以是2016-LEDs呈线性排列贴布在线路板上,也可以是5050和7070 CSP-COBs。五面发光CSP-LEDs并不适合用于制作高可靠的汽车前大灯。汽车前大灯专用LED模组主要应用于前装市场和本身就是以汽车前大灯专用LED模组设计的汽车前大灯的汽配与后装市场。(本文作者:深圳大学南山工业技术研究院 李刚)

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