半导体led光源替代传统光源是必然的趋势吗

半导体led光源替代传统光源是必然的趋势吗,第1张

全球性的能源短缺和环境污染在经济高速发展的中国表现得尤为突出,节能和环保是中国实现社会经济可持续发展所急需解决的问题。 每年照明电能消耗约占全部电能消耗的12%~15%,作为能源消耗的大户,必须尽快寻找可以替代传统光源的新一代节能环保光源。

LED以其较之于传统照明光源所没有的优势,诸如较低的功率需求、较好的驱动特性、较快的响应速度、较高的抗震能力、较长的使用寿命、绿色环保以及不断快速提高的发光效率等,成为目前世界上最有可能替代传统光源的新一代光源。

虽然半导体照明事业才刚刚起步,照明用LED还有很多问题要解决,但是,随着化合物半导体技术的迅猛突破和封装技术的不断提高,LED在照明领域的应用开始形成并逐步扩大。现阶段LED的发光效率偏低和光通量成本偏高是制约其大规模进入照明领域的两大瓶颈。目前LED的应用领域主要集中在信号指示、智能显示、汽车灯具、景观照明和特殊照明等。

2003年6月17日,由科技部牵头成立了跨部门、跨地区、跨行业的“国家半导体照明工程协调领导小组”。从协调领导小组成立起,到2005年年底之前的这段时间将是半导体照明工程项目的紧急启动期。从2006年的“十一五”开始,国家将把半导体照明工程作为一个重大工程进行推动。2003年我国人均GDP首次突破获1000美元大关,经济实力得到了进一步的增强,已经初步具备了接受较高光通量成本(初始成本)的光源的能力。

在未来的5~10年内,用半导体LED作为光源的固态照明灯,将逐渐取代传统的照明灯而进入每一个角落,半导体LED固态光源替代传统照明光源已是大势所趋。我国的半导体LED产业链经过多年的发展已相对完善,具备了一定的发展基础。同时,我国又是照明灯具产业的大国,只要政府和业界适当协调整合得当,发展半导体LED照明产业是大有可为的。LED半导体照明市场潜力巨大,发展前景被广泛看好。 长期以来,由于LED光效低的原因,其应用主要集中在各种显示领域。随着超高亮度LED(特别是白光LED)的出现,在照明领域的应用成为可能。据国际权威机构预测,二十一世纪将进入以LED为代表的新型照明光源时代,被称为第四代新光源。

中国照明行业网说目前,照明消耗约占整个电力消耗的20%,大大降低照明用电是节省能源的重要途径,为实现这一目标业界已研究开发出许多种节能照明器具,并达到了一定的成效。但是,距离“绿色照明”的要求还远远不够,开发和应用更高效、可靠、安全、耐用的新型光源势在必行。LED以其固有的优越性正吸引着世界的目光。美国、日本等国家和台湾地区对LED照明效益进行了预测,美国55%白炽灯及55%的日光灯被LED取代,每年节省350亿美元电费,每年减少7.55亿吨二氧化碳排放量。日本100%白炽灯换成LED,可减少1~2座核电厂发电量,每年节省10亿公升以上的原油消耗。台湾地区25%白炽灯及100%的日光灯被白光LED取代,每年节省110亿度电。

日本早在1998年就编制“21世纪计划”,针对新世纪照明用LED光源进行实用性研究。近年来,日本日亚化工、丰田合成、SONY、佳友电工等都已有LED照明产品问世。世界著名的照明公司如飞利浦、欧司朗、GE等也投入大量的人力物力进行LED照明产品的研究开发和生产。美国GE公司和EMCORE公司合作成立新公司,专门开发白光LED,以取代白炽灯、紧凑型荧光灯、卤钨灯和汽车灯。德国欧司朗公司与西门子公司合作开发LED照明系统。台湾目前的LED产量仅次于日本列在美国之前,从1998年开始投入6亿台币进行相关开发工作。

LED发展历史已经几十年,但在照明领域的应用还是新技术。随着LED技术的迅猛发展,其发光效率的逐步提高,LED的应用市场将更加广泛,特别在全球能源短缺的忧虑再度升高的背景下,LED在照明市场的前景更备受全球瞩目,被业界认为在未来10年成为最被看好的市场以及最大的市场将是取代白炽灯、钨丝灯和荧光灯的最大潜力商品。

led完整产业链分析

一、上游芯片产业,

LED行业上游主宰下游。在LED产业变局中,上游企业受到的冲击小于下游企业。LED产为具有典型的不均稀产业链结构,一般按照材料制备、芯片制备和器件封装与应用于分为上、中、下游,虽然产业环节不多,但其涉及的技术领域广泛,技术工艺多样化,上下游之间的差异巨大的,上游环节进入壁垒大大高于下游环节(上游外延片制备的投资规模比一些下游应用环节上出上千倍),呈现金字塔形产产业结构。

其中,上游和中游是典型的技术或资本密集的“三高”产业:高难度、高投入、高风险,在某些环节技术难度极大、工艺精度要求极高、对技术和设备的依赖极强,而处于产业链下游的封装和应用环节壁垒很低,以属于劳动密集型产为。衬底材料是LED照明的基础,也是外延生长的基础,不同的衬底材料需要不同的外延生长技术,又在一定程度上影响到芯片加工和器件封装。因此,衬底材料费的技术路线必然会影响整个头为的技术部路线,是各个技术环节的关键。

外延片生长主要依靠生长工艺和设备。制造外延片的主流方法是采用金属有机物化学气相沉积(MOCVD),但即使是这种“最经济”的方法,其设备制造难度也非常大,国际上只有德国、美国、英国、日本等少数国家中数量非常有限的企业可以进行商业化生产,设备非常昂贵,但欧美企业对材料的研究有限,因此设备的工艺参数不够完善。而行业内最领先的日本企业对技术严格封锁,其中对GaN材料研究最成功的日本日亚化学和丰田合成的MOCVD设备则根本不对外销售,呬家技术比较成熟的日本酸素公司的设备则只限于日本境内出售。

芯片制造的难度公次于材料制备,同属于技术和资本密集型产业,进入壁垒仍然很高。其技术上的难题主要包括提高外量子效率、降低结温和有效散热。目前核心技术同样也掌握在大企业手中,如美国HP、Cree、德国Osram等。

目前LED产业的核心专利基本都被外国几大公司控制。这些公司利用各自的核心专利,采取横向(同时进入多个国家)和纵向(不断完善设计,进 行后续申请)扩展方式,在全世界范围内布置了严密的专利网。由于中国企业在LED专利布 局上起步较晚,专利的申请时间、专利类型、授权比例等方面与国外企业均存在较大差距,特别是在高端芯片及部分应用领域上表现得尤为明显。近年来,我国半导体照明产业尽管取得了高速发展,但面临的专利纠纷也日益增多,国内半导体照明企业在这些纠纷中经常处于被动局面。 然而迄今为止,国内大多数企业对专利问题并没有真正给予足够的重视,对专利状况与专利法规仍不熟悉,一些新投资项目也没有对IP进行足够的 尽职调查,存在很大的法律风险。由于国内LED企业绝大部分发明专利都不是原创,都是在国际LED巨头原创专利的基础上做一些修补,与国际LED巨头打起专利官司,往往处于劣势。因此专 利问题将严重制约中国大陆LED产业的发展。因此加强知识产权保护意识和实行有效的应对策略,是中国大陆LED产业需要面对的一项长期而艰巨的任务。

 二、中游LED封装

 作为LED产业链中承上启下的LED封装,在整个产业链中起着无可比拟的重要作用。LED器件的各类应用产品大量LED器件,如大型LED显示屏、液晶显示器的LED背光源、LED照明灯具、LED交通灯和汽车灯等,LED器件在应用产品总成本占了40%至70%,且LED应用产品的各项性能往往70%以上由LED器件的性能决定。

 中国是LED封装大国,据估计全世界80%数量的LED器件封装集中在中国,分布在各类美资、台资、港资、内资封装企业。随着工艺技术的不断成熟和品牌信誉的积累,中国LED封装企业必将在中国这个LED应用大国里扮演重要和主导的角色。

下面从LED封装产业链的各个环节来阐述中外封装企业的差异。

 1、封装生产及测试设备差异

 目前中国LED封装企业中,规模前列的LED封装企业均拥有世界最先进的封装设备,这是后发优势所决定的。就硬件水平来说,中国规模以上的LED封装企业是世界上最先进的。当然,一些更高层次的测试分析设备还有待进一步配备。

 因此,中国在封装设备硬件上已具备世界领先水平,具备先进封装技术和工艺发展的基础。

 2、LED芯片差异

 LED封装器件的性能在50%程度上取决于LED芯片,LED芯片的核心指标包括亮度、波长、失效率、抗静电能力、衰减等。目前国内LED封装企业的中小尺寸芯片多数选用国产品牌,这些国产品牌的芯片性能与国外品牌差距较小,具有良好的性价比,亦能满足绝大部分LED应用企业的需求。尤其是部分芯片品牌的性能已与国外品牌相当,通过封装工艺技术的配合,已能满足很多高端应用领域的需求。

 3、封装辅助材料差异

 封装辅助材料包括支架、金线、环氧树脂、硅胶、模条等。辅助材料是LED器件综合性能表现的一个重要基础,辅助材料的好坏可以决定LED器件的失效率、衰减率、光学性能、能耗等。

目前中国大陆的封装辅助材料供应链已较完善,大部分材料已能在大陆生产供应。但高性能的环氧树脂和硅胶以进口居多,这两类材料主要要求耐高温、耐UV、优异折射率及良好膨胀系数等。

随着全球一体化的进程,中国LED封装企业已能应用到世界上最新和最好的封装辅助材料。

4、封装设计差异

  LED的封装形式主要有支架式LED、表贴式LED及功率型LED三大主类。

LED的封装设计包括外形结构设计、散热设计、光学设计、材料匹配设计、参数设计等。

支架式LED的设计已相对成熟,目前主要在衰减寿命、光学匹配、失效率等方面可进一步上台阶。

贴片式LED的设计尤其是顶部发光TOP型SMD处在不断发展之中,封装支架尺寸、封装结构设计、材料选择、光学设计、散热设计等不断创新,具有广阔的技术潜力。

功率型LED的设计则是一片新天地。由于功率型大尺寸芯片制造还处于发展之中,使得功率型LED的结构、光学、材料、参数设计也处于发展之中,不断有新型的设计出现。

中国的LED封装设计是建立在国外及台湾已有设计基础上的改进和创新。设计需依赖良好的电脑设计工具、良好的测试设备及良好的可靠性试验设备,更需依据先进的设计思路和产品领悟力。目前中国的LED封装设计水平还与国外行业巨头有一定差距,这也与中国LED行业缺乏规模龙头企业有关,缺乏有组织、有计划的规模性的研发设计投入。

  5、封装工艺差异  

  LED封装工艺同样是非常重要的环节。例如固晶机的胶量控制,焊线机的焊线温度和压力,烤箱的温度、时间及温度曲线,封胶机的气泡和卡位管控等等,均是重点工艺控制点。即使是芯片质量好、辅材匹配好、设计优异、设备精度高,如果是工艺不正确或管控不严,就会最终影响LED的可靠性、衰减、光学特性等。

随着中国LED封装企业这几年的快速发展,LED封装工艺已经上升到一个较好的水平,尤其是一些高端需求如大型LED显示屏、广色域液晶背光源等,中国的LED优秀封装企业已能满足其需求,先进封装工艺生产出来的LED已接近国际同类产品水平。

  6、LED器件性能差异

  LED器件的性能指标主要表现在如下六方面:①亮度或流明值;②光衰;③失效率;④光效;⑤一致性;⑥光学分布特性

 光衰

 一般研究认为,光衰与芯片关联度不大,与封装材料与工艺关联度最大。影响光衰的封装材料主要有固晶底胶、荧光胶、外封胶等,影响光衰的封装工艺主要有各工序的烘烤温度和时间及材料匹配等。

 目前,中国LED封装工艺经过多年的发展和积累,已有较好的基础,在光衰的控制上已与国外一些产品匹敌。

失效率

  失效率与芯片质量、封装辅助材料、生产工艺、设计水平和管理水平相关。

LED失效主要表现为死灯、光衰过大、波长或色温漂移过大等。根据LED器件的不同用途要求,其失效率也有不同的要求。例如指示灯用途LED可以为 1000PPM(3000小时);照明用途LED为500PPM(3000小时);彩色显示屏用途LED为50PPM(3000小时)。


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