LED對於消費者而言並不陌生，已經廣泛的應用於車上，依照不同的效能需求選擇適當的LED產品，LED相較於傳統光源除了外型不同外，效能輸出與光型輸出亦大不相同，應用於汽車頭燈時將面臨光學設計與散熱設計等不同於傳統燈具之設計概念。然而也因其不同於傳統光源之特性，當與車體成功整合克服技術難題後，將為車型開創嶄新的設計概念。

車上的LED

LED已經廣泛的應用於車內的相關照明或指示用光源，由(圖一)可知，從室內的儀表板燈、車頂燈、化妝燈、迎賓燈等，到車外的尾燈、前後轉向燈、倒車燈、第三煞車燈等都可見到LED的相關應用。

《圖一　車上的LED應用》

從LED的應用歷史觀察可知，早在1992年時已經有業者將LED應用於第三煞車燈上；而在2000年時則進一步的應用於尾燈、轉向燈與煞車燈；到了2002年Audi A8率先將LED光源置於前置燈具內作為日行燈，開啟了設計師與工程師們在前置燈具的想像空間。在之後的許多國際車展上都可以看到LED作為前照燈源的概念車，如(圖二)所示。

LED先天上就具有體積小的優勢，應用於前置燈具時更可縮小整組燈具的體積，進一步讓出寶貴的引擎室空間與其他相關設備，以現有的鹵素燈泡或是氣體放電式燈泡設計的燈具總長約300mm，而在許多概念車的設計上，LED燈具只有125mm長。而藉由體積小的優勢，更可配合設計多款不同的造型設計，進而為車體造型創造不同的視覺觀感，跳脫傳統燈具的圓形設計。

《圖二　LED頭燈概念車》

不同需求的LED封裝應用

隨著應用層面的不同，車廠也選用不同的LED光源封裝因應不同的環境要求，依需求亮度不同可約略區分為指示用、照明用與投射用三種不同需求。指示用光源可見於第三煞車燈、尾燈組（尾燈、煞車燈、轉向燈等）、側邊燈等，其光源輸出流明值低，所需功率低，約在70mW～200mW，產生之熱對於封裝體影響較小，因此在封裝上會忽略此熱能造成的影響，而直接利用樹脂類材料包覆整體以進行封裝，而因為樹脂的熱傳導係數低（W/mK），故其相關熱阻會因散熱不易而昇高至50～200K/W；而照明用光源其封裝功率會相對提高，除了可應用於指示用光源類的產品之外，亦可用於亮度要求較高的日行燈、霧燈、前方向燈等，但也因為損耗功率增加（功率約在1～5W），散熱部分不能如指示光源般不考慮散熱問題，除了樹脂類材料封裝外尚需利用金屬塊將熱導出以維持出光效率，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，其應用產品以前照系統（遠燈、近燈、霧燈等）為主，其單體封裝需在4W以上，熱阻需小於5K/W，以確保在引擎室的高溫下能維持散熱能力，並保持光源輸出效率在可用的範圍內。

《圖三　不同的LED封裝》

不同的應用層面，其總流明需求亦隨之不同，以內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15～20lm/W。以第三煞車燈而言大約需要30lm的亮度，一般選用砲彈型的封裝結構（φ=5mm），單體封裝亮度約4流明，效率可達20～40lm/W。而尾燈組對於亮度需求約300～500lm，一般選用1W的SMT封裝結構，單體封裝亮度約10～20lm，效率可達15～40lm/W。以上都是已經應用於車體的光源，而目前LED廠與車廠正積極合作，試著將LED導入前照系統（頭燈、霧燈）中，其中車廠對於頭燈的亮度需求約2000流明的白光，LED廠目前則應用高瓦數的SMT LED封裝架構，每單體封裝可輸出100～200lm，效率預期提高至50～100lm/W。

目前使用於車上的燈源可區分為白熾燈泡、鹵素燈泡、氣體放電式燈泡與LED光源，其比較如(表一)所示。

《表一　目前車用類型光源比較》

LED頭燈的設計

開始著手設計頭燈之前，應先考量法規上的相關規定，包括光型亮度，環境測試，亮度衰減等需求，進一步考量相關光學設計、機構設計、耐熱設計與電控設計等細節，對於LED而言，光學設計的考量除了反射罩設計之外，尚需考慮LED本身的出光光型，不同的封裝型態將產生不同的光型輸出，進一步將影響反射罩或成像透競的要求，與傳統頭燈設計需考量不同燈泡（H1、H4、H7、H11等）類似。

在傳統的頭燈設計上，燈泡本身的光子釋放來自加熱鎢燈絲，不會因自身發出的熱或來自引擎室的高溫而影響亮度輸出，散熱重點落在整個頭燈腔體的均溫設計而非燈泡的散熱，但在頭燈材料的選擇上則需考慮是否可承受來自燈泡的高溫（頭燈腔體約承受100℃的溫度，霧燈腔內溫度可高至300℃），故在此選用的材料一般皆以耐熱材為主；然而對於LED而言，其光子釋放來自於PN介面的能階跳動，與溫度呈現負相關，溫度越高則光源輸出越弱，因此散熱成為LED作為光源設計的重要課題。

《圖四　歐盟法規之近光燈光型》

《圖五　車輛頭燈設計相關技術》

光學設計時先考慮法規需求，討論視角與強度關係，以近燈為例須針對其特殊的15度揚角設計，如(圖四)所示。在傳統的燈具設計上由先期的利用反射罩配合透鏡刻紋作角度與強度的控制，演變成為利用反射罩直接控制強度角度，也發展出利用成像方式的魚眼透鏡設計法。不論何種的設計方式都須先考慮選用光源的特性，特別是角度與強度的光型輸出（Beam pattern），對傳統的光源而言，大多為柱狀光源，可產生類似蝴蝶外型的光型輸出，進而發展出來與之搭配之透鏡、反射罩、擋板、透鏡等光學元件。

而利用LED作為光源設計燈具時，需重新考量其光學特性由傳統的柱狀光源變為平面光源（不同的封裝設計有不同的光型輸出），進而搭配外部的光學元件而產生不同組合以應用於不同產品，依照德國車燈大廠HELLA的設計分類，可將光源初分為八大類，如(圖六)所示。LED目前的單位面積發光量尚不及鹵素燈泡與放電式燈泡，欲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，光學設計的難度亦隨之提昇，故在現有的概念車上，均以模組化光學設計取代既有的單一燈室設計，利用多組燈源達到傳統燈具的照明水準，除了降低光學設計之難度，亦增加車體造型的設計感。

《圖六　LED光源設計》

散熱設計是LED光源異於傳統光源的課題之一。傳統燈具產生的熱遠高於LED，但傳統燈具不因此高溫而降低其光源輸出能力，但LED的光輸出卻會隨著本身介面（Junction、PN介面）溫度的昇高而下降，如(圖七)所示。而其產生的熱如何散除於外界環境與其封裝結構材料息息相關，其牽涉到使用的散熱材料與相關外型之關係，如(圖八)所示，其中熱阻的概念，代表輸入W功率時，需要提高多少K溫度才足以散熱。以現有的封裝技術最高可允許LED操作在185℃（Lumiled K2），但一般因為封裝膠材的關係，可允許的操作溫度約在125℃，除了考量光源輸出效率之外，亦考慮封裝膠材的變質（樹脂類材料在高溫有老化現象）。

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，觀察相關熱阻，RJunction-Slug、RSlug-Board都決定於封裝體，對設計者而言只能針對RBoard-Ambient努力，其中包括如何將封裝體固定於散熱基板上（接著品質）、散熱結構外型設計、主被動散熱考量與外部環境等條件。因此在此處應該與機構進行相關模擬設計，取得燈具在引擎室內的流場與溫度條件後再考慮所需的散熱模式，若選用被散動熱得需要較大的散熱空間，對引擎是而言是不小的負擔，若選用主動式散熱，雖然所需散熱環境較小，但因為增加了風扇等可動件，反而需考量此可動件可否通過車燈上的相關法規，包括震動、粉塵、腐蝕與濕氣等嚴苛環境。

《圖七　介面溫度對光源輸出的影響》

《圖八　封裝與散熱熱阻關係》

LED在車輛頭燈應用上遭遇的難題

LED應用於頭燈上在許多的車展上各家車廠都有展示相關的概念車，但在頭燈部分尚未看見有成品出現，可以顯示仍有需多問題尚待解決。其中主要問題應在於亮度輸出、散熱問題與誤差設計。

頭燈的亮度需求近燈需900流明，遠燈需1100流明，整體需求2000流明，約是Lumiled生產40顆1W封裝體Luxeon emitter在25℃的總光源輸出，但當其外界溫度升高至50℃時，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），設計難度亦隨之提昇。

在LED產業中，因應磊晶造成晶片的不均勻而發展出所謂的分類銷售的過程，特別是高瓦數的晶片在LED產業上是全檢出貨，依照波長亮度進行分類，也因此封裝後的個體存在著些微的差距，此差距可能存在於亮度、色溫或是可靠度上。然而應用LED於頭燈時，不可避免會利用多顆晶片以輸出足夠亮度進行光學設計，此時需特別注意LED品質檢測與品質控制的環節，以確保相同品質的光源輸出。

結論

自2003年以降，超過13家以上的車廠在相關車展上展出以LED頭燈為訴求的概念車，而國內的研發單位工研院電光所也在今年首屆的車電展中展出LED頭燈組，表現出的亮度不亞於現有的鹵素燈泡頭燈，如(圖九)所示。Lexus車廠更發布消息，在2007年中將推出一款以LED為頭燈的量產車。相信存在於LED的相關工程問題將在消費者的殷殷期盼下一一解決。（作者任職於工研院電光所）

《圖九　工研院電光所LED頭燈組》

延 伸 閱 讀	LED由於具備小體積、壽命長、低耗電以及反應速度快等優點，已成為備受矚目的新一代車燈光源技術；車頭燈受限於單顆LED亮度不夠、價格太高等因素，世界各國仍處於研發階段，預計要二至三年後才會邁入商業化量產階段。相關介紹請見「LED汽車頭燈商機潛力大　散熱問題待克服」一文。 雖然目前的汽車頭燈仍以鹵素燈及HID為主流，而就目前的國際車展來看，各國汽車廠展覽均已將LED燈組（含前後燈）列入概念車配備中展示，並且對於研發LED頭燈展現高度的期待與企圖。你可在「車用LED頭燈組研發介紹」一文中得到進一步的介紹。 從汽車業務員手中接過車及資料和晶片鑰匙，在跨進駕駛座置入晶片鑰匙後，車內各種系統同時啟動，不到半秒的時間，各顯示燈正常亮起，車內寧靜得讓人懷疑車子是否已經是在啟動的狀態下。在「電子系統實現安全　舒適與環保的未來行車夢想」一文為你做了相關的評析。

市場動態

由華創車電、台灣三葉、大億、帝寶等多家汽、機車業整車與車燈大廠，與財團法人車輛研究測試中心共同投入開發的白光二極體LED頭燈，日前已通過亮度測試，將循汽車、機車與車燈售後服務件等三大市場應用體系，開始導入量產，可望率先全球各國完成商品化。相關介紹請見「台灣抓穩LED頭燈商機」一文。 由於LED具有高亮度、省電、低熱量及反應時間短等優點，所以近日內被大量運用於車輛燈組的使用上，如方向燈、尾燈及煞車燈等；而於車輛燈具製造享有盛名的德國Hella大廠，已累積許多LED之製造研發技術，宣佈2008年時可轉移至車輛前燈使用，並達到量產之目標。你可在「啵兒亮！LED頭燈 Hella搶先上路！」一文中得到進一步的介紹。 從上個世紀早期開始到現在，汽車外部照明一直使用燈絲型燈泡，然而，這種歷史悠久的燈泡可能在下個十年（2011～2020）最終退出汽車頭燈和後燈市場，因為人們正為汽車設計一種更明亮的新型發光二極體（LED）。在「高亮度LED試圖完全取代汽車白熾燈」一文為你做了相關的評析。