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2010-11-09 11:53:51 人氣(229) | 回應(0) | 推薦(0) | 收藏(0) 上一篇 | 下一篇

汽車LED頭燈的商機與挑戰-LED車燈的散熱技術tool-tool.com

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自從2007 年世界第一款LED 近光車頭燈- LEXUS LS 600 量產以來,改變了諸多專家認為LED頭燈現階段不具商業價值的負面觀點,各方專業人士也重新思考LED頭燈為什麼可以量產,並將焦點投注在研究LEXUS LED 頭燈成功的因素上。此外,大家更引頸期盼的LED 全功能頭燈- AUDI R8 Cadillac Escalade Platinum ,將於2008 年量產上市。假設LED 封裝發光效能(lm/W)或磊晶(Epi)發光效能(mW/W),在熱平衡後LED封裝發光效能提昇到100 lm/W @350 mA或 磊晶發光效能提昇到400 mW/W @ 350 mAHigh Power LED 散熱就不重要,若LED 模組發光效能在熱平衡後只有50 lm/W LED可商品化,但需搭配散熱裝置,價格相對較高。在LED發光效能未能倍數成長以前,必須降低LED熱平衡溫度,以提昇LED發光效能或使用更多的 LED以滿足車燈法規的規範。LED 車燈量產化成功的重要因素- LED 車燈的散熱技術,將影響LED 頭燈未來的商機。

LED 頭燈介紹
1. LEXUS 600 LS LED
頭燈
LED
近光燈使用5 個車用LED 模組做光源,是日亞化與小糸共同研發,總功率58W 。遠光燈使用鹵素燈泡做光源,散熱裝置由散熱鰭片(圖二)、熱管、散熱片與散熱塗裝構成,採被動散熱設計,是世界第一款量產的LED 頭燈。


圖二、LED 的散熱裝置

2. AUDI R8 LED 全功能頭燈
遠光燈使用2 LED 模組,近光燈使用3 LED 模組,前方向燈與前位置燈也使用LED 光源, LED 使用LUMILEDS PHILIPS LED ,散熱裝置使用主動散熱設計(圖五),原規劃2008 年第一季量產,因LED 光源封裝材料問題未
完全解決,延至2009 年上市,主動式散熱裝置由風扇做強制對流的熱交換(圖六),使LED 模組溫度降低。


圖五、AUDI R8 LED 模組散熱裝置


圖六、AUDI R8 LED 強制對流示意圖

3. Cadillac Platinum Escalade
由車燈界首屈一指的HELLA 製造,與OSRAM 共同開發車用LED 模組, 用於
LED
遠、近光燈, 其中近光燈使用4 LED 模組,遠光燈使用2 LED 模組,因ECE 法規要求近光燈光源的總光通量須在1,000 lm 以上,對於LED 車燈來說,每個模組的光通量勢必要提昇,對於功率增加產生的熱能,散熱裝置的效能勢必要再加強。

LED 頭燈的散熱設計
LED
的發光效能大約在0°C 時有最佳的光輸出,一般使用條件多半在0°C 以上,LED 製造商基於使用時機的商業效益考量,通常不會刻意提昇0°C 以下的發光效能。LED 會隨溫度的升高,而降低發光效能,這是LED 的缺點。當製程與封裝材料在LED 基板(Substrate)溫度高於90°C 時,LED 處於發光不穩定狀況,當溫度再高時, LED Chip 接點溫度可能趨近可靠度臨界溫度TJ (125~135°C)而燒毀。LED 照明設備一般在無空調且無風的情況下,熱平衡溫度通常超過85°C ,隨時會有照明變暗或LED 不亮的現象,因大功率(High Power) LED 價格高於一般照明,高溫發光效能(lm/W)低於一般照明,是現階段LED 照明無法普及的原因,另外以黃色螢光粉(Phosphor)產生的白光,也會有顏色偏黃或偏藍的顏色不均的現象。 要提昇LED 發光效能,降低熱平衡溫度是最經濟的解決方案之一。因此LED 模組的散熱技術是決定LED 燈具量產性與銷售性的重要因素之一。

LED 車燈的散熱材料
(1)
散熱塊(Chip Heat Sink)
是 最簡單低價的散熱裝置(圖八),通常固定形狀以鋁擠型即可完成,在電子業被大量使用,為提高熱交換效果,通常以提昇輻射熱傳效果、降低熱阻係數、增加散熱 面積(散熱鰭片、表面塗裝),但依需求效果不同,增加的材料成本也不同,另外材料的耐酸鹼性、耐高低溫、耐高濕、耐鹽水性、耐衝擊性,對於散熱材料表面處 理都有可能影響其熱交換效果。


圖八、散熱鰭片

(2) 熱管(Heat Pipe)
是最有效的將熱帶 離熱源的裝置,由於製造技術成熟,成本已具競爭優勢,並大量應用在3C 產業如筆記型電腦(Note Book)、液晶顯示器(TFT LCD)上,但車燈造型多變,內部構造曲折,熱管經多次折彎已大幅降低其高熱流動效果,且熱管不耐振動衝擊,裝置不當會使熱管破損。

 (4)熱電致冷晶片(Thermoelectric Cooling Module)
藉 由熱電耦合材料的特性,提昇電位差,使致冷晶片兩面溫差增加,冷端用於LED散熱,熱端與空氣或散熱裝置做熱交換,此材料已廣泛用於車內保冷保暖的容器, 但因增加了電能的消耗,在綠色環保訴求汽車商品,不適合完全使用,且晶片材料的脆性可能不適合車外零組件的振動衝擊環境。

(5) 均溫板(Heat Spreader)
透過石墨等高導熱的特性,降低熱傳導溫差梯度,提昇與空氣的熱交換量(圖十)。依使用時機可分成:
1.
橫向(X-Y Dir.)均溫:石墨的片狀結晶,在橫向的緻密結構有很高的導熱係數,可將熱源產生的熱密度,快速疏散到整片石墨材料,對於橫向空間無限制的使用條件,是很好的解決方案。但車燈立體造型排列,橫向空間的使用有限,橫向均溫板的效果受限。
2.
縱向(Z-Dir.)均溫:以近似奈米碳管(Nero Carbon Tube)的結晶方式將熱源快速朝縱向帶走,通常用於散熱塊型式的設計。因奈米碳管本身與空氣的接觸面積相當大,故散熱效果很好。但石墨材料的脆性可能不適合車外零組件的振動衝擊環境。


圖十、均溫板

 (7)散熱貼片(Thermo Pad)
透過固態的 導熱材料,如矽膠、石墨等高導熱係數基材,及可壓縮與高延展性、具附著性的特色,使介面密切貼合,將LED熱源與散熱裝置間的熱阻降低,提昇散熱效果。但 散熱貼片成本比散熱膏高,導熱係數頂多與錫近似,對於可用錫膏或銀膠做LED 基底(Substrate)與散熱塊黏著的模組來比,散熱貼片的效果反而有不及之處。

 (9)鑽石散熱
藉由鑽石結晶無方向性超高導熱係數的 特性,以電漿蒸鍍的方式,在材料表面形成高導熱係數介質,未來對於LED 封裝基底(Substrate)介面導熱係數提昇應該有一定程度的幫助,對於LED 的熱消耗功率降低、熱平衡溫度降低、發光效能提昇、使用壽命提昇等,都有正面的幫助。但對於介面間Air Gape 的處理,仍需填充高導熱係數材料如矽膠等,才能發揮應有的效果,且填充材又形成了介面熱阻,因此鑽石鍍膜若可用於小面積的平面鏡面接著,如Chip Substrate 表面密合度佳時,可忽略Air Gape 的影響。

汽車LED 頭燈未來的商機
現有大功率LED 的 商機多佈局在開發中國家,為節省電力成本,與太陽能電池結合,目的在於道路指引,不在於路面照明,投資目的在於品牌形象佈局,寄望未來龐大的市場需求。 另外就移動式照明如手電筒、探照燈、自行車燈等,講求照明效果提昇、小型化、輕量化、易攜帶、或耐久性等,可提昇便利性的商品,有相當大的市場待開發,產 品相對的利潤也較高。

汽車LED 頭燈未來的商機在於高技術、高利潤市場,與廣大潛在的中價位汽車市場及交通工具的室內照明。因為任何一種成熟技術最後多半會成為企業競爭的紅海戰場,微利 化的結果各家比較的是經營、銷售與成本低減的策略,而車用LED頭燈的高技術瓶頸所帶來的研發與行銷的高附加價值,才是投資者看好未來市場新藍海而提前佈 局的區塊,如PHILIPS OSRAM初期開發的放電式氙氣燈泡(Xenon High Intensity Discharge Bulb),就是看準技術屏障與專利保護而協力開發的企業新藍海,HID 燈泡銷售已近10 年,仍屬寡佔市場。LED 頭燈量產化的三項重大因素就是大功率LED 模組效能提昇、LED 散熱裝置效能與車燈光學設計,因此這三大區塊誰能提前佈局,誰能技術領先,誰就有可能取得商機,晚來的競爭者只能以授權的方式或更高成本的設計投入市場, 已沒有高利潤可圖。

車用LED 散熱技術的挑戰
車燈的造型設計、空間需 求、光學-機構-散熱間的相互協調,是決定LED 頭燈是否可量產與車燈開發成本的關鍵,在解熱(Thermo Solution)領域裡的專家,常被車燈諸多的限制條件所束縛,但問題不如想像中的困難,散熱的目的在於使光源的熱快速導出,使熱平衡溫度降低即 可,LEXUS 600 LED 頭燈解熱的成功,除了塗料的開發成本較高以外,其他都是以大家所習知的技術,如電控、增加導熱面積與表面導熱係數,對策方式屬各家的研發機密,在此不便公 開。另外就LED 屬冷光,燈內霧氣排除與燈外結冰清除,是LED 頭燈所面臨的另一個挑戰,對策方式多為物理性、化學性、熱流改善。

作者:張欲琨 / 大億交通工業製造股份有限公司
本文節錄自「工業材料雜誌259期」,更多資料請見http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7027 

引用出處:

http://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=7041

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