從汽車前大燈看強光LED不同封裝形式的優(yōu)缺點

　　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。【源自火丁智能照明】

　　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）【源自Philips】

　　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【源自360圖片】

　　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?！九臄z自外購產品】

　　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。【拍攝自外購產品】

　　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(shù)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?！九臄z自改裝的外購產品】

　　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?！綩sram和Philips】

　　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。