半导体照明产业

-1-半导体照明产业简明读本一、产业概念半导体照明也称固态照明或LED照明，是基于新兴固态冷光源LED（发光二极管“LightEmittingDiode”的英文缩写）的照明技术。以半导体照明为主体的产业称为半导体照明产业（亦称LED产业），产业链主要包括四个部分：LED外延片生长、芯片制造、器件封装和产品应用，此外还包括相关配套产业。LED产业具有典型的不均衡产业链结构，一般按照原材料与衬底、外延与芯片和器件封装分为上、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，上游环节进入壁垒大大高于下游环节。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较低，属于劳动密集型产业。LED的制作流程包括上游的单晶片衬底制作、外延晶片生长，中游的芯片、电极制作、切割和测试分选，以及下游的产品封装。上游外延工艺：在外延炉（目前普遍采用MOCVD设备）高温高压无氧环境下，有机金属（MO源）-2-和氢化物分解成原子有序地淀积在晶片的表面，成为外延层。上游外延制造附加值最高。中游芯片工艺：中游厂商根据LED元件结构的需要，先进行金属蒸镀，然后在外延晶片上光罩蚀刻及热处理而制作LED两端的金属电极，接着将衬底磨薄、抛光后切割为细小的LED芯片，由于衬底较脆且机械加工性差，芯片切割过程的成品率为中游制作阶段的重点。中游的最后一步是测试分选。下游封装工艺：下游是把从中游来的芯片粘贴并焊接导线架，经由测试、封胶，然后封装成各种不同的产品。LED的应用领域非常广泛，目前可大体区分为背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大领域，并不断有新型应用领域出现。二、发展意义半导体发光二极管（LED）作为第三代光源，具有很多优点：（1）光效率高：效率可以达到80%-90%，而光效差不多的白炽灯可见光效率仅为10%-20%。（2）光线质量高：由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，属于典型的绿色照明光源。（3）能耗小：在同样亮度下耗电量仅为普通白炽灯的1/8。（4）寿命长：光通量衰减到70%的标准寿命是10万小时，一个LED灯正常情况下可以使用50年。（5）可靠耐用：没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废率很小，维护费用极为低廉。（6）应用灵活：体积-3-小，可以平面封装，可做成点、线、面各种形式的具体应用产品。（7）安全：单位工作电压大致在1.5-5v之间，工作电流在20-70mA之间。（8）绿色环保：废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯一样含有汞成分。（9）响应时间短：适应频繁开关以及高频运作的场合。近年来，全球性的能源短缺和环境污染问题日益突出，全世界各个国家都迫切希望应用节能环保的新技术。半导体照明以其技术的先进性和产品应用的广泛性，被公认为是21世纪最具发展前景的高技术领域之一。未来几年全球可能形成超过1000亿美元的半导体照明应用市场，可望成为另一个兆元产业。三、产业发展现状（一）国际产业发展现状近年来，半导体照明产业发展迅速，美国、欧洲和亚洲各个国家和地区纷纷积极实施半导体照明发展计划，甚至将半导体照明产业上升至国家战略高度进行系统部署，如美国“半导体照明国家研究项目”、“固态照明（SSL）研究和发展计划”，欧洲“彩虹计划”，日本“21世纪照明”计划，韩国“光电子产业分支-GaN半导体发光计划”。目前，LED产业在全球已形成一套完整的产业链，初步形成了以亚洲、北美、欧洲三大区域为中心的LED产业格局，呈现出以日、美、德为产业龙头，中国台湾、韩国紧随其后，-4-中国大陆、马来西亚等国家和地区积极跟进的梯队分布。其中，美日企业在外延片、芯片技术、设备方面具有垄断优势；欧洲企业在应用技术领域优势突出；我国台湾地区和大陆主要侧重发展封装和组装环节，产量占据世界第一，产值位居全球第二。全球LED产业最大生产国是日本，约占据50%市场份额，其动向几乎是LED行业的指针。技术上，日本日亚（Nichia）、丰田合成（ToyodaGosei、美国科锐（Cree）、飞利浦流明（Lumileds）和欧司朗（Orsam）五大巨头基本垄断了中上游外延片和芯片制造的核心技术，他们利用其在新产品和新技术领域中的创新优势，主要从事高附加价值产品的生产，从而垄断了高端产品市场。这五大企业在技术与产品方面各具特色。日亚化学和丰田合成在LED发展中占有重要地位，都形成了LED完整的产业链，其中日亚化学1994年第一个生产出蓝光芯片，并在蓝宝石衬底技术路线专利技术方面具有垄断优势。美国科锐公司在碳化硅衬底技术路线上形成了LED完整的产业链，在专利技术方面具有垄断优势。美国飞利浦流明公司则专注于大功率LED的研发，在白光照明领域实力雄厚。德国欧司朗在薄膜芯片和荧光粉方面具有优势。从1999年到2009年，在美国申请的LED相关专利3312件中，日本位居首位，约占50%，美国第二，占30%，中国台湾第三，为11%。-5-外延片生长是LED制造的关键技术，目前普遍采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法实现。全球MOCVD的主要制造厂家为德国的AIXTRON公司和美国的VEECO公司，前者约占60%-70%的国际市场份额，后者占据30%-40%，日本NipponSanso生产的设备基本限于日本国内销售。根据2010年调研数据显示，随着这两年LED上游外延芯片成本的大幅度下降，上游外延芯片、中游封装、下游应用已经形成了1:4:9的市场规模比例。以上游外延芯片50%，中游封装30%，下游应用20%的自身利润率计算，在整个LED产业链的利润分配中，LED上游外延芯片仅占14%，中游封装占34%，下游应用则占了52%，超过了一半。（二）我国产业发展现状我国于2003年正式启动了“国家半导体照明工程”计划。2005年又启动了“半导体照明工程产业化技术开发”重大项目。2006年初，“高效节能、长寿命的半导体照明产品”的研发被列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）》中的第一重点领域（能源）的第一优先主题（工业节能）。2009年，科技部在天津、石家庄等21个城市启动“十城万盏”半导体照明应用工程试点工作。2009年10月，国家发改委等6部门出台《半导体节能产业发展意见》。2010年9月，国务院常务会议审议并原则通过《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》，半导体照明材料-6-成为新材料领域努力实现快速健康发展的战略性新兴产业之一。经过近年快速发展，我国在LED外延材料、芯片制造、器件封装、荧光粉等方面均已显现具有自主技术产权的单元技术，部分核心技术具有原创性，初步形成了包括LED外延片生产、LED芯片生产、LED器件封装以及LED应用在内的完整的产业链。尤其在封装领域取得了大的发展与进步，生产的LED封装器件已能够满足如显示屏、光源模块、路灯、筒灯等半导体应用热点领域的国内需求，特别是直插式LED器件、SMD器件性能与国外差距很小，且这些封装结构专利逐渐失效，减少了国内企业进入国际市场的障碍。在产业集聚上已初步形成了珠江三角洲、长江三角洲、北方地区、闵三角地区四大区域，每一区域都形成了比较完整的产业链，85%以上的LED企业分布在以上四大区域。同时国家半导体照明工程批准上海、厦门、大连、南昌、深圳、扬州和石家庄为7大产业化基地。2010年，我国成为全球半导体照明产业发展最快的区域，其中外延芯片和照明应用产品的发展最为突出，在国际半导体照明产业体系的地位和影响大大增强。2010年，在芯片市场供货偏紧和各地政策支持力度加大的背景下，我国外延芯片企业产能扩充迅速，MOCVD设备定货量占到全球设备订单的1/3。据统计，2010年我国已经-7-到厂安装的GaNMOCVD超过270台，四元系MOCVD30台左右，MOCVD设备总数达到300台。全国40多家外延芯片企业在未来3年的设备购进计划超过1000台。2010年，我国芯片产值达到50亿元，较2009年的23亿实现倍增。2010年国产GaN芯片产能增加最为突出，较2009年增长150%，达到5600kk/月，实际年产量达到390亿只，国产率也提升到了65%。国产芯片的性能得到较大提升，在显示屏、景观照明、信号灯等市场领域已经占据主流地位，在照明、中小尺寸背光等应用领域也逐步获得认可。2010年，我国LED封装产值达到250亿元，较2008年的204亿元增长23%；产量则由2009年的1056亿只增加到1335亿只，其中高亮LED产值达到230亿元，占LED总销售额的90%以上。从产品和企业结构来看，SMD和大功率LED封装增长较为明显，成为LED封装的主要扩产方向。但就总量来看，SMD所占比例相比台湾地区仍然偏低。表12010年度国内LED产量、芯片产量及芯片国产率种类LED产量（亿只）芯片产量（亿只）芯片国产率（%）GaNLED60039065%四元LED47527057%普亮LED26017065%合计133583062%-8-图1我国LED封装市场规模及增长率变化2010年，我国半导体照明应用的增长非常突出，应用领域的整体规模达到900亿元，整体增长率达到50%；其中，背光应用和通用照明应用的增长最为突出。基于LED在液晶电视等大尺寸背光领域展现强大的爆发力，LED背光行业高速增长，2010年我国LED背光产值的年增长率达到167%，其市场渗透率不断攀升，LED背光液晶电视渗透率从2009年的2.3%上升到8.9%。随着中国城镇化进程的持续进行以及节能减排的迫切需求，LED照明产品的市场规模迅速扩大，2010年增长率达153%；LED等高效照明产品逐步替代白炽灯等低效照明产品已成为大势所趋。此外，LED在显示屏、景观照明、信号、指示等应用方面也继续保持了较高的增长速度。表2我国2010年半导体照明产值及增长率-9-产业链环节2010年产值（亿元）2010年增长率2009年产值（亿元）外延芯片50117%23封装25023%204应用90050%600应用领域通用照明190153%75背光应用160167%60景观照明21050%140显示屏15025%120信号及指示658%60汽车照明1525%12其他11062%68合计120045%827图2我国2010年半导体照明应用领域分布2010年，我国LED相关企业的资本运作加速，对产业的推动效果非常明显。4家公司在中小板、创业板及香港上市，多家上市公司针对半导体照明项目进行了增发融资，10多家公司已经进入上市准备阶段。2010年产业投资超过300亿元，资本成为产业发展的重要推动力。-10-2010年，我国半导体照明标准检测体系进一步完善，制定并公布了12项国标和10项行标；在检测平台的建设方面，我国已批准成立6家，3家国家级的半导体照明检测平台正在筹建；地方共建立了20多家检测机构；2010年12月底，中国质量认证中心正式开始对半导体照明产品的节能认证工作。由于半导体照明技术正处于快速发展阶段，功能性照明产品尚未完全定型，缺乏规格化、标准化产品，同时LED的诸多特性不同于传统照明光源和灯具，检测方法和评价标准存在很大差异，我国半导体照明标准检测认证体系的总体组织协调仍需进一步加强。预计2011-2012年，半导体照明仍将保持较高的发展速度，未来两年将成为中国半导体照明产业结构和格局调整完善的关键时期。期间，整个行业将进入一个机遇与挑战并存的全新阶段，巨大的产业发展机遇将伴随着更为激烈的市场竞争和格局调整，行业洗牌、企业整合将在所难免。三、发展趋势未来几年，半导体照明技术将不断取得突破，应用领域不断拓宽，不仅应用于显示屏、指示灯、汽车照明等领域，LCD背光和通用照明市场正成为新的增长点。在背光源应用方面，LCD背光源应用快速发展，预计2015笔记本显示屏背光将达到100%，液晶电视背光将超过80%；在通用照明方面，室外道路、隧道照明，工矿、商业等室内照明开始起-11-步，进入试点示范阶段，预计