照明用LED芯片與封裝器件發(fā)展概述

童 敏，邵嘉平

(1.上海飛樂(lè)音響股份有限公司，上海 200233；2.歐司朗光電半導(dǎo)體(中國(guó))有限公司，上海 200001)

照明用LED芯片與封裝器件發(fā)展概述

童 敏1，邵嘉平2

(1.上海飛樂(lè)音響股份有限公司，上海 200233；2.歐司朗光電半導(dǎo)體(中國(guó))有限公司，上海 200001)

LED技術(shù)的不斷進(jìn)步大幅提高了能源效率，帶來(lái)了LED照明系統(tǒng)成本的下降。LED照明產(chǎn)業(yè)鏈所有環(huán)節(jié)的集中度正在進(jìn)一步聚攏。在上游外延芯片、中游封裝器件領(lǐng)域，歐美、日韓與中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、中國(guó)大陸，在LED產(chǎn)品數(shù)量產(chǎn)出上相差懸殊，但在總體營(yíng)業(yè)額方面卻大致“三分天下”。通過(guò)分析大量的行業(yè)報(bào)告和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我們探討了照明用LED芯片與封裝器件的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)。照明用LED芯片與封裝器件越來(lái)越向更加標(biāo)準(zhǔn)化、更大規(guī)模化的趨勢(shì)發(fā)展。

LED；芯片；器件；聚攏度；照明；封裝；標(biāo)準(zhǔn)

引言

LED技術(shù)在過(guò)去近20年時(shí)間里有了非常顯著的進(jìn)步，特別在照明領(lǐng)域，不僅大幅提高了能源效率，還帶來(lái)出眾的光色品質(zhì)，同時(shí)由技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)系統(tǒng)成本的下降也正在進(jìn)一步改變整個(gè)照明產(chǎn)業(yè)的格局[1-2]。

在LED照明技術(shù)和產(chǎn)業(yè)規(guī)模保持總體發(fā)展的今天，LED照明市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，產(chǎn)品推陳出新，新的技術(shù)名稱(chēng)不絕于耳，這也著實(shí)讓許多的從業(yè)者對(duì)未來(lái)如何更好地生存和發(fā)展產(chǎn)生了一些迷惘。我們通過(guò)分析大量的行業(yè)報(bào)告和統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，站在核心LED芯片和封裝器件的角度，分析照明用LED芯片與封裝器件的發(fā)展，希望能提供一些有益的參考。

1 LED照明發(fā)展現(xiàn)狀

從美國(guó)能源部在2016年6月發(fā)布的固態(tài)照明研發(fā)計(jì)劃(Solid-State Lighting R&D Plan)[3]中(圖1)，我們可以了解到，通過(guò)LED技術(shù)的不斷進(jìn)步，熒光轉(zhuǎn)換型(Phosphors Converted)LED器件光效(在25 °C和35A/cm2輸入電流密度下)仍然有較大的提升空間，其流明成本也仍然有較大下降的余地。

根據(jù)美國(guó)能源部DOE最新報(bào)告[4-5]，LED照明在過(guò)去15年時(shí)間里為美國(guó)能源成本節(jié)約貢獻(xiàn)了28億美元，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，未來(lái)將帶來(lái)更為顯著的能源節(jié)約。預(yù)計(jì)到2035年，LED照明將能降低75%的美國(guó)全國(guó)照明用電量，相當(dāng)于目前4 500萬(wàn)戶(hù)美國(guó)家庭的總體能源消耗，每年為美國(guó)家庭和商業(yè)節(jié)約500億美元，這還不包括增加的就業(yè)機(jī)會(huì)和對(duì)經(jīng)濟(jì)的提升。

在中國(guó)，LED照明產(chǎn)業(yè)整體產(chǎn)值[6](圖2)于2016年達(dá)到5 216億元人民幣，較2015年同比增長(zhǎng)22.8%，產(chǎn)業(yè)規(guī)模實(shí)現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)。

圖1 固態(tài)照明光效和流明成本路線圖[3]Fig.1 Roadmaps of Efficacy and Lumen Cost of Solid-state lighting[3]

圖2 中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)模[6]Fig.2 Market Size of China’s LED Lighting Industry[6]

2 照明用LED芯片與封裝器件發(fā)展趨勢(shì)

綜合分析Strategies Unlimited/IHS/LEDInside/美國(guó)能源部等不同調(diào)研機(jī)構(gòu)與政府部門(mén)的報(bào)告以及歐司朗光電半導(dǎo)體、亮銳、科銳等公司的內(nèi)部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，結(jié)合國(guó)內(nèi)外其他主要芯片與封裝企業(yè)(主要是木林森、國(guó)星、瑞豐、鴻利、斯邁得、聚飛、首爾半導(dǎo)體、三星LED、LG英諾特、Lumens、三安、華燦、晶元等)的運(yùn)營(yíng)發(fā)布，日亞、西鐵城LED、松下LED、Stanley、羅姆、夏普LED等日系企業(yè)數(shù)據(jù)，主要依據(jù)其市場(chǎng)上代表性客戶(hù)使用量推測(cè)，我們可預(yù)計(jì)：

1)目前全球LED封裝器件的市場(chǎng)規(guī)模約每年150億美元，其中照明用白光LED市場(chǎng)規(guī)模約占市場(chǎng)規(guī)模總量的40%～50%，為60～75億美元。

2)歐美、日韓與中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、中國(guó)大陸在營(yíng)業(yè)額上大體“三分天下”，在上游外延芯片、中游封裝器件領(lǐng)域皆如此。

3)LED產(chǎn)業(yè)集中度在進(jìn)一步聚攏，以上游外延芯片為例，折算成2英寸(每片2英寸外延片的有效芯片總面積以1 600～1 800 mm2計(jì)算)產(chǎn)能，每年1 000 萬(wàn)片級(jí)(含以上)企業(yè)數(shù)量?jī)H為有限的五六家。

4)企業(yè)間芯片與封裝器件的技術(shù)差距有所縮小，但依然存在。

(i)以標(biāo)準(zhǔn)的EMC 3030 1 W(6 V/150 mA)或者PCT 2835 1 W(9 V/100 mA)為例，相關(guān)色溫CCT 4 000 K或者2 700 K、顯色指數(shù)CRI 80，同樣額定輸入電流條件下，日亞、歐司朗所需芯片尺寸若為0.5 mm2～ 0.6 mm2大小、0.8 mm2～ 1.0 mm2大小不等，若要達(dá)到相同的光通量流明數(shù)輸出，或者相近的光效lm/W水平，日韓與中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、中國(guó)大陸廠商所需芯片尺寸大致要1.0 mm2～ 1.2 mm2、1.2 mm2～1.4 mm2不等，表明若在相同芯片尺寸、相同電流輸入密度條件下，日亞及歐美一線品牌器件尚具有一定性能優(yōu)勢(shì)；

(ii)以標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷基3535或3232(350 mA/700 mA/1 500 mA)1 W/3 W/5 W為例，相關(guān)色溫CCT 6 500 K或者3 000 K、顯色指數(shù)CRI 70，一般在35 A/cm2的電流輸入密度條件下，歐司朗、科銳器件的光效可達(dá)160 lm/W～180 lm/W水平，高于日韓廠商、中國(guó)廠商約10% ～15%；

(iii)以金屬鋁基或者氧化鋁陶瓷基COB(36 V/350 mA, 700 mA, 1 050 mA)12 W/25 W/35 W為例，相關(guān)色溫CCT 3 000 K或者3 500 K、顯色指數(shù)CRI 90，通常在1 W/mm2的芯片功率密度條件下，西鐵城、科銳、歐司朗等一線廠商的光效可達(dá)120 lm/W ～ 140 lm/W水平，高于日韓廠商、中國(guó)廠商約10%以上。

5)芯片與封裝器件的市場(chǎng)均價(jià)ASP逐季度、逐年下降趨緩，在光源或燈具成品中的成本占比分別為30% ～ 40%或10%～ 20%不等。

圖3為歐美、日韓與中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、中國(guó)大陸廠商在LED芯片與封裝領(lǐng)域的大致數(shù)量占比示意(約為10%/30%/60%)。值得注意的是由于技術(shù)和品牌附加值等方面的差異，三個(gè)區(qū)域盡管在數(shù)量產(chǎn)出上相差懸殊，但總體金額卻大致相當(dāng)。

圖3 全球各地區(qū)LED芯片與封裝領(lǐng)域的數(shù)量對(duì)比Fig.3 Quantity Comparison of Chip and Packaging Manufacturers in Different Global Regions

我們同時(shí)可知，全球代表性照明企業(yè)(下游光源跟燈具應(yīng)用)的大體分布如圖4和圖5所示。

圖4 全球代表性照明企業(yè)分布Fig.4 Deployment of Representative Top Lighting Companies in Global

圖5 全球照明應(yīng)用聚攏度分析Fig.5 Concentration Analysis of Global Lighting Application

我們同時(shí)可以看到，伴隨著全產(chǎn)業(yè)鏈聚攏度的增強(qiáng)，照明用LED芯片與封裝器件也越來(lái)越向更加標(biāo)準(zhǔn)化、更大規(guī)模化的趨勢(shì)發(fā)展：

1)中低功率封裝上的PLCC→EMC，SMC→PCT，5630/3014→3030 2芯片→2835 3芯片(點(diǎn)、線、面替換光源應(yīng)用)；

2)中低功率常規(guī)3 V→6 V、9 V、12 V、18 V (以1 W 2835為例)高壓低電流方向發(fā)展；

3)大功率3535/3232、5050、7070等陶瓷封裝的光效進(jìn)一步提升(高強(qiáng)氣體放電燈HID 250 W/250 W/400 W等替換應(yīng)用、多集中于專(zhuān)業(yè)燈具)；

4)超大功率5050, 7070 多芯片集成封裝，陶瓷或者EMC SMD，如5050 8芯片/10芯片、7070 18芯片/24芯片等(光源上GU10/MR16以及PAR，燈具上陣列式應(yīng)用于1 000 W/2 000 W金屬鹵化物燈等替換應(yīng)用)；

5)COB標(biāo)準(zhǔn)功率密度、高功率密度、特殊色點(diǎn) (發(fā)光面LES 6mm/9mm/13mm/15mm/19mm)；

6)燈絲燈條單顆105 lm/140 lm/180 lm/240 lm可用2顆/4顆/6顆覆蓋燭泡，200 lm/400 lm/600 lm/800 lm/1 000 lm A型球泡燈等應(yīng)用；

7)其他倒裝Flip Chip、芯片級(jí)封裝CSP等封裝樣式，用于背光、閃光、投影等應(yīng)用領(lǐng)域；

8)其他彩光、近紅外光用于舞臺(tái)、景觀亮化、植物生長(zhǎng)燈的光源等。

從LED技術(shù)發(fā)展的層面來(lái)看，外延襯底(第三代半導(dǎo)體SiC襯底材料、PSS圖形化襯底)和工藝優(yōu)化(有源區(qū)設(shè)計(jì))、芯片技術(shù)(出光提取、增反DBR分布式布拉格反射鏡電極)、熒光粉材料和工藝提升、封裝材料和工藝改善、綜合良率提高等都是后續(xù)發(fā)展的重點(diǎn)。這些重點(diǎn)和趨勢(shì)不論是在美國(guó)能源部發(fā)布的2017版固態(tài)照明項(xiàng)目組合(2017 Project Portfolio: Solid-State Lighting)[5]，還是在國(guó)家發(fā)展改革委發(fā)布的《戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄(2016版)》[7]中均有所體現(xiàn)。

照明用LED封裝器件在未來(lái)數(shù)年的熱點(diǎn)[8-9]，將主要集中于以下幾個(gè)方面：

1)中低功率LED：光源類(lèi)應(yīng)用市場(chǎng)趨緩。由于產(chǎn)品的日益標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)品價(jià)格迅速下降，已接近生產(chǎn)成本，未來(lái)產(chǎn)品降價(jià)幅度減小，產(chǎn)能持續(xù)集中向少數(shù)規(guī)模型企業(yè)，產(chǎn)品規(guī)格也更為統(tǒng)一，3030、2835(0.5 W以上)為需求最集中的產(chǎn)品類(lèi)型；

2)大功率LED：隨著技術(shù)持續(xù)提升，包括超大功率LED、超高流明密度LED等，性能仍能大幅提升，成本仍有下降空間，在專(zhuān)業(yè)類(lèi)燈具上進(jìn)一步提高性?xún)r(jià)比；

3)COB型LED：在商業(yè)照明領(lǐng)域擁有中功率型LED所沒(méi)有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)靈活度和高光強(qiáng)燈優(yōu)勢(shì)，在高端照明市場(chǎng)繼續(xù)保持競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)(如圖6所示)；

4)LED燈絲燈：刺激LED照明市場(chǎng)增長(zhǎng)的又一動(dòng)力，主要生產(chǎn)地為中國(guó)，大部分為出口市場(chǎng)，用于強(qiáng)調(diào)氣氛與裝飾照明，將帶動(dòng)整體市場(chǎng)的需求。

圖6 照明用LED器件產(chǎn)品線分析Fig.6 Analysis of LED Components Product Lines for Lighting Application

3 結(jié)束語(yǔ)

目前LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展是機(jī)遇和挑戰(zhàn)并存，在全球化、聚攏化的大背景下，我們應(yīng)該相信，大者恒大、強(qiáng)者恒強(qiáng)、優(yōu)勝劣汰、不進(jìn)則退。同時(shí)，我們也需要不斷推進(jìn)LED技術(shù)創(chuàng)新，在外延結(jié)構(gòu)、芯片架構(gòu)、光學(xué)轉(zhuǎn)換等取得更大的科技進(jìn)步，借鑒在照明應(yīng)用中的專(zhuān)業(yè)技術(shù)，大幅提升照明應(yīng)用中LED的性能，大力推動(dòng)LED產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展。

[1] 竇林平.2016中國(guó)LED照明行業(yè)趨勢(shì)展望. 照明工程學(xué)報(bào)，2016，27(1)：I0007.

[2] 吳玲.“十三五”我國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展展望. 照明工程學(xué)報(bào)，2017,28(1)：V.

[3] U.S. Department of Energy. Solid-State Lighting R&D Plan.2016.

[4] U.S. Department of Energy.Energy Department Invests MYM8 Million in Efficient Lighting R&D. 2017.

[5] U.S. Department of Energy.2017 Project Portfolio: Solid-State Lighting.2017.

[6] 國(guó)家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟.2016年中國(guó)半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書(shū).2016.

[7] 國(guó)家發(fā)展改革委.戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)重點(diǎn)產(chǎn)品和服務(wù)指導(dǎo)目錄(2016版).2017.

[8] LEDinside.2017照明級(jí)封裝與LED照明市場(chǎng)展望.2016.

[9] IHS. Packaged LEDs Report-2016.2016.

Development Overview of LED Chip and Components for Lighting

TONG Min1， SHAO Jiaping2

(1.ShanghaiFeiloAcousticsCo.Ltd.,Shanghai200233,China; 2.OsramOptoSemiconductors(China)Co.Ltd.,Shanghai200001,China)

The advancements of LED technology have significantly improved energy efficiency and reduced system cost, and thus deeply changed the entire lighting industry. All the section of the industry chain is becoming more and more concentrated. The total revenue is almost same among regions of European and United States, Japan, South Korea and China Taiwan, and China Mainland while big difference in output quantity in the fields of epitaxy / chip and components. According to a large number of industry reports and statistics, the development tread and current situation of the LED chip and components for lighting were discussed.The LED chip and components for lighting application are becoming more and more standardization and larger scale.

LED; chip; component; concentration；lighting; package; standard

TM923

A

10.3969/j.issn.1004-440X.2017.04.023