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| 【照明】半導(dǎo)體照明演化與未來(lái)展望 |
| （時(shí)間:2013-12-5 10:19:22） |
1997年日亞化學(xué)發(fā)表了白光發(fā)光二極管(LED)，燃起全球?qū)?shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明可能性的希望，各國(guó)政府及企業(yè)都高度重視。半導(dǎo)體照明可以取代傳統(tǒng)照明光源，除了節(jié)能省電，解決能源短缺的問(wèn)題，并可以帶來(lái)龐大商機(jī)。經(jīng)過(guò)十多年來(lái)努力，白光發(fā)光二極管的光效在實(shí)驗(yàn)室已達(dá)200 lm/W以上，而市售的產(chǎn)品也已經(jīng)可以達(dá)到150lm/W以上，已超越傳統(tǒng)的白熾燈泡、節(jié)能燈以及熒光燈管等。各國(guó)政府也將陸續(xù)禁止白熾燈泡的使用，再加上LED燈泡的價(jià)格與傳統(tǒng)照明光源比較，已達(dá)到具有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的程度，未來(lái)這幾年LED照明市場(chǎng)將步入快速成長(zhǎng)期。
一、過(guò)去十年LED產(chǎn)業(yè)的發(fā)展
2002年由于手機(jī)的背光及按鍵采用白光及藍(lán)光氮化鎵發(fā)光二極管，使得發(fā)光二極管的需求顯著增加，根據(jù)市調(diào)公司Strategies Unlimited的數(shù)據(jù)顯示，全世界發(fā)光二極管封裝組件市場(chǎng)在2001年至2004年這一段期間，年?duì)I收的平均成長(zhǎng)高達(dá)44%，這是全球發(fā)光二極管產(chǎn)業(yè)第一波的大成長(zhǎng)。
在2004年至2007年這一段期間，市場(chǎng)的應(yīng)用開(kāi)始朝向更大面積的GPS屏幕、電子相框和筆記本電腦(Notebook)等背光發(fā)展，發(fā)光二極管市場(chǎng)持續(xù)成長(zhǎng)，LED光效則不斷提升，價(jià)格則因量大而逐步下降。2008年第四季起由于遭遇金融海嘯的影響，全球景氣轉(zhuǎn)差，LED晶粒價(jià)格跌幅擴(kuò)大，然由于臺(tái)灣晶粒廠商和韓國(guó)廠商三星及LG合作，適時(shí)推出側(cè)光式LED背光源的液晶電視，由于采用LED混光技術(shù)(mix-bin) ，提升晶粒使用率，以及晶粒價(jià)格的降低，使得采用側(cè)光式LED背光源的液晶電視與采用冷陰極管(CCFL)當(dāng)背光源的液晶電視價(jià)差縮小，再加上側(cè)光式LED背光的液晶電視，具有超薄屏幕及重量輕的優(yōu)點(diǎn)，帶動(dòng)了發(fā)光二極管第二波大量的需求，2010年全球高亮度發(fā)光二極管的市場(chǎng)較2009年大幅成長(zhǎng)了93%。
但2011年由于受到全球經(jīng)濟(jì)景氣復(fù)蘇腳步緩慢的影響，LED背光的液晶電視銷(xiāo)售不如預(yù)期，另一方面中國(guó)大陸的LED企業(yè)，在政府的政策性支持及財(cái)務(wù)補(bǔ)貼下，大幅的擴(kuò)充產(chǎn)能，造成LED的供給遠(yuǎn)大于需求，市場(chǎng)上LED組件的殺價(jià)競(jìng)爭(zhēng)更趨激烈。然而也由于LED組件價(jià)格的下降，讓LED照明光源的價(jià)格不再高不可攀，美國(guó)科銳 (CREE) 于2013年2月推出的60瓦白熾燈取代型LED燈泡，以9.5瓦的耗電量可以發(fā)出800流明的亮度，而售價(jià)只有12.97美元。隨后歐洲的歐司朗 (OSRAM) 于2013年4月也宣布將開(kāi)始銷(xiāo)售價(jià)格低于10歐元的LED燈泡。雖然LED燈泡的價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)越演越烈，但這將有助于刺激消費(fèi)大眾的購(gòu)買(mǎi)意愿。因此，一般預(yù)期照明的甜蜜點(diǎn)已經(jīng)到來(lái)，高亮度發(fā)光二極管產(chǎn)業(yè)即將進(jìn)入第三波的高成長(zhǎng)期。
二、過(guò)去十年來(lái)全球各區(qū)域LED產(chǎn)業(yè)的變化
依據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)Strategies Unlimited的報(bào)告顯示，直到2008年以前LED封裝組件的產(chǎn)值以日本為第一，臺(tái)灣排名第二，緊接的是歐洲、美國(guó)、韓國(guó)及中國(guó)大陸(如表(一)所示)。但到了2010年韓國(guó)廠商的市場(chǎng)占有率一舉從2009的13%大幅躍升到28%，日本雖仍維持世界第一的位置，但LED封裝組件的產(chǎn)值占比已從2009年的44%滑落至2010年的33%。韓國(guó)能夠從原來(lái)市占率落后臺(tái)灣及歐美，而在不到兩年的時(shí)間大幅超前,并有三家廠商，三星、LG及首爾半導(dǎo)體名列世界前十大，其主要是憑借著三星及LG力推LED背光的液晶電視，且三星及LG的LED背光是采用內(nèi)部垂直整合的方式來(lái)發(fā)展，從LED的磊晶成長(zhǎng)、晶粒制作、組件封裝、到背光燈條的制作，完全自制，并提供給自行生產(chǎn)的LED背光液晶電視使用。而三星及LG力推LED背光電視的成功，也讓LED背光的液晶電視滲透率由2009年的2%，約300萬(wàn)臺(tái)，大幅增加到2010年17%，約3100萬(wàn)臺(tái)，當(dāng)然也創(chuàng)造了LED的大量需求。雖然三星及LG在2009年開(kāi)始推LED背光電視時(shí)，初期自己內(nèi)部無(wú)法提供足夠數(shù)量合乎規(guī)格的的高光效LED封裝組件，而必須仰賴臺(tái)灣LED廠商提供晶粒及封裝產(chǎn)品，但三星、LG、及首爾半導(dǎo)體很快的便將LED產(chǎn)能擴(kuò)充完成，韓國(guó)廠商的MOCVD設(shè)備在2008年還不到100臺(tái)，但到了2011年其MOCVD的機(jī)臺(tái)數(shù)已迅速的增加至約450臺(tái)。由于所生產(chǎn)的LED封裝組件將優(yōu)先使用于自有品牌的LED背光電視，也因此讓韓國(guó)的LED封裝組件產(chǎn)值市占率迅速竄升。但隨著LED背光在LCD電視及監(jiān)視器的滲透率將于今年2013年逐步提升至90%，已接近飽和，未來(lái)成長(zhǎng)的空間有限，未來(lái)LED封裝組件產(chǎn)值的成長(zhǎng)主要?jiǎng)幽軐?lái)自通用照明。
三、技術(shù)進(jìn)步加速LED照明時(shí)代的來(lái)臨
隨著全球許多國(guó)家開(kāi)始禁用白熾燈泡，以及LED燈泡效率的提升和價(jià)格的降低，LED已由景觀照明、戶外照明、逐漸滲透到商業(yè)照明的領(lǐng)域，并將在未來(lái)幾年大幅取代白熾燈泡成為居家照明的主要光源。
當(dāng)然，要取代傳統(tǒng)照明光源，LED的光效必須不斷的提升，不僅要超過(guò)白熾燈的10~15流明/瓦，緊湊型熒光燈的40~60流明/瓦，甚至要超越直管型的熒光燈管80~100流明/瓦。根據(jù)更新后的美國(guó)能源部固態(tài)照明研發(fā)產(chǎn)品路線圖，在2013年冷白光的LED效率要達(dá)到180流明/瓦以上，而暖白光要達(dá)到150流明/瓦以上。
LED封裝組件的效率在過(guò)去幾年來(lái)有著顯著的進(jìn)步，2005大部份白光LED封裝組件的光效約只有60流明/瓦左右，但到了今年大部份廠商已有能力達(dá)到150流明/瓦。比如日本豐田在2012年2月便宣稱其3528封裝的白光LED光效可以達(dá)到170流明/瓦，并從4月開(kāi)始量產(chǎn)供貨，臺(tái)灣的億光也可以供貨150流明/瓦3014LED封裝組件。而韓國(guó)的首爾半導(dǎo)體于2013年7月也宣布其中功率5630LED光效達(dá)到180流明/瓦。
LED照明要得到普及，除了LED 的光效要提升外，更重要的因素是價(jià)格要有競(jìng)爭(zhēng)力。依據(jù)美國(guó)能源部的固態(tài)照明研發(fā)產(chǎn)品路線圖，于2013年每千流明冷白光的價(jià)格要小于4美元，而暖白光的LED每千流明價(jià)格要小于5.1美元。而到2020年不論冷白光或暖白光LED封裝組件每千流明的價(jià)格要下降到小于1美元，也就是每千流明的價(jià)格大約是現(xiàn)在的1/5。這是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，依據(jù)美國(guó)能源部2013年4月發(fā)布的固態(tài)照明研發(fā)多年計(jì)劃書(shū)，2012年飛利浦Lumileds公司的冷白光高功率LED光效是130流明/瓦，每千流明的價(jià)格約5美元，是比美國(guó)能源部計(jì)劃的目標(biāo)每千流明價(jià)格6美元稍低，但在LED光效上也稍遜于2012年目標(biāo)值150流明/瓦。
為了進(jìn)一步降低每千流明價(jià)格，歐、美、日及韓國(guó)的許多LED上游磊晶及晶粒廠都嘗試改用6英寸的藍(lán)寶石芯片來(lái)增加產(chǎn)能，減少芯片邊緣的損失來(lái)提升LED晶粒生產(chǎn)的良率，但這對(duì)于臺(tái)灣及大陸的上游磊晶及晶粒廠來(lái)說(shuō)并不見(jiàn)得有利，因?yàn)槟壳癓ED晶粒是處于生產(chǎn)過(guò)剩的情形，還要投入資本來(lái)擴(kuò)建6英寸的產(chǎn)線，再加上6英寸藍(lán)寶石芯片每單位面積的價(jià)格仍遠(yuǎn)高于2英寸和4英寸。因此，臺(tái)灣及大陸廠商短期內(nèi)將還是會(huì)以4英寸藍(lán)寶石芯片為主。但是進(jìn)入6英寸生產(chǎn)，是無(wú)法讓成本達(dá)到期望值的。
由于6英寸的藍(lán)寶石芯片較貴，因此，歐司朗、東芝、Bridglux、Plessey、Azzurro及晶能光電嘗試以硅芯片來(lái)代替藍(lán)寶石芯片，但硅芯片由于與氮化鎵材料晶格不匹配，且熱膨脹系數(shù)也差異很大，這讓成長(zhǎng)質(zhì)量好的磊晶層難度增加。雖然硅芯片的價(jià)格非常便宜，然由于硅芯片會(huì)吸收可見(jiàn)光，在LED晶粒制造過(guò)程中還需要先貼合到另一片透明或者具有光反射層的基板上，再將硅芯片從氮化鎵磊晶層移除，這些額外的制造過(guò)程也會(huì)增加LED晶粒的制造成本。因此雖然目前日本的東芝、英國(guó)的Plessey及大陸的晶能光電已開(kāi)始生產(chǎn)銷(xiāo)售采用硅基板的藍(lán)光發(fā)光二極管晶粒或封裝好的白光發(fā)光二極管。但飛利浦Lumileds則決定暫時(shí)放棄在硅基板上成長(zhǎng)氮化鎵的計(jì)劃，而仍專注于采用6英寸藍(lán)寶石基板來(lái)降低晶粒生產(chǎn)成本。未來(lái)氮化鎵磊晶采用硅基板是否能成為主流，將決定于能否克服氮化鎵磊晶長(zhǎng)在硅基板上所生產(chǎn)芯片破裂、彎曲而造成生產(chǎn)良率低的問(wèn)題。
要降低每千流明LED價(jià)格另外一種可行方式便是將同樣大小的LED晶粒在較大的電流下操作，產(chǎn)生較高的流明值，如此在相同輸出流明數(shù)時(shí)，一個(gè)LED燈泡所需用到的LED顆數(shù)就可以減少。通常一顆1毫米平方大小的LED晶粒，其操作電流是使用在350毫安，如果操作在1安培，而LED的光效不會(huì)降低太多，便能夠減少一半以上的LED封裝組件使用量，但前提是所制造生產(chǎn)的LED能夠在高電流下操作而光效率不能降低太多，當(dāng)然也不能影響LED 組件應(yīng)有的使用壽命。這種在較大電流密度下可以操作的LED，在某些LED應(yīng)用上也不見(jiàn)得有優(yōu)勢(shì)，比如全周光的LED燈泡或直管式的熒光燈管，還需要利用光學(xué)組件或光擴(kuò)散膜等來(lái)解決眩光，或讓光均勻分布等問(wèn)題，而且由于LED在大的電流密度下操作，熱量集中，散熱處理的成本也會(huì)增加。因此，這種可在大的電流密度下操作的高功率LED，比較適合于有指向性的LED 照明光源，如射燈。
LED封裝組件的成本，除了LED 晶粒以外，其它封裝材料，如支架、硅膠、熒光粉、封裝制造費(fèi)用，也占了超過(guò)一半以上的費(fèi)用，仍有很大的空間可以節(jié)省下來(lái)。目前COB(Chip on board)產(chǎn)品，直接將多顆LED晶粒封裝在鋁基板核心的PCB或陶瓷基板上形成面光源，相較于傳統(tǒng)單顆封裝制程，不但能夠節(jié)省一次封裝的成本、光引擎模塊制作成本和二次配光成本，同時(shí)可以解決點(diǎn)光源所產(chǎn)生的疊影及眩光的問(wèn)題，使用上有愈來(lái)愈普遍的現(xiàn)象。
至于在LED晶粒的制作過(guò)程中，加入幾道工藝將熒光粉及光學(xué)組件整合到LED晶粒上的晶粒型封裝(Chip scale package)，由于使用到的封裝材料更少，相對(duì)于目前SMD封裝產(chǎn)品價(jià)格可以更便宜，也是未來(lái)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
四、未來(lái)全球各區(qū)域LED產(chǎn)業(yè)的變化
LED照明的發(fā)展與LED發(fā)光效率和成本有密不可分的關(guān)系，LED的光效如果沒(méi)有超過(guò)傳統(tǒng)照明光源，或者價(jià)格比傳統(tǒng)光源貴太多，LED照明便無(wú)法大量取代傳統(tǒng)照明。而LED照明光源的效率與價(jià)格主要取決于LED晶粒的發(fā)光效率與生產(chǎn)成本，因此，早期誰(shuí)能夠在LED晶粒研發(fā)制造技術(shù)上取得領(lǐng)先，將會(huì)影響其在照明市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。由于LED照明可能取代傳統(tǒng)照明，而傳統(tǒng)照明廠商又不能將原有市場(chǎng)拱手讓出，因此，不是自行研發(fā)生產(chǎn)制造，便是要與其他公司策略合作。飛利浦公司與美國(guó)安捷倫公司于1999年合資成立Lumileds Lighting B.V.，后來(lái)在2005年買(mǎi)入安捷倫公司擁有的股份及2007年買(mǎi)入員工的股份，讓Lumileds成為飛利浦公司的子公司便是著眼于要能夠掌控LED照明的核心技術(shù)，支持飛利浦照明持續(xù)發(fā)展所需。
日本的日亞(Nichia)及豐田合成(TG)由于最早投入氮化鎵藍(lán)光發(fā)光二極管的研發(fā)及生產(chǎn)，目前仍在技術(shù)上保持優(yōu)勢(shì)，兩家公司都只從事LED磊晶、晶粒，到封裝的制造生產(chǎn)，且以銷(xiāo)售LED封裝組件為主。日本在LED封裝組件產(chǎn)值仍能維持世界第一，主要靠日亞及豐田合成兩家公司。日亞仍有持續(xù)擴(kuò)產(chǎn)的計(jì)劃，預(yù)計(jì)到2015年將產(chǎn)能擴(kuò)充到2011年250億顆晶粒的4倍，也就是1000億顆，以確保其在未來(lái)幾年仍保持領(lǐng)先的地位。日本其他傳統(tǒng)的LED公司如夏普(Sharp)、西鐵城(Citizen)、東芝(Toshiba)、史坦利(Stanley)、松下(Panasonic)及羅姆(Rohm)由于專利的限制，多與日亞或豐田合作，或向美國(guó)科銳公司購(gòu)買(mǎi)藍(lán)光發(fā)光二極管晶粒，再封裝成白光LED銷(xiāo)售，因此，這幾家在LED產(chǎn)業(yè)的市占率難以擴(kuò)大。Sharp雖然在2008及2009年與日亞及豐田簽定專利許可協(xié)議，并建立一座年產(chǎn)50億顆LED晶粒的工廠，但由于規(guī)模太小，無(wú)法讓Sharp重回LED市占率前五大的公司。至于LED照明光源及燈具的開(kāi)發(fā)，日本也是最早投入的國(guó)家，幾家傳統(tǒng)照明公司如東芝、松下、日立、NEC等也都積極的投入，但由于過(guò)去這些公司只專注日本市場(chǎng)，而日本市場(chǎng)的容量不大，因此日本廠商這幾年也開(kāi)始積極進(jìn)軍國(guó)際市場(chǎng)。
韓國(guó)廠商利用LED背光電視的機(jī)會(huì)，擴(kuò)充了LED晶粒及封裝產(chǎn)能，由于LED技術(shù)的快速進(jìn)步，三星及LG因而將LED背光使用的中功率LED導(dǎo)入照明的應(yīng)用，由于中功率LED已大量運(yùn)用于LED背光，價(jià)格低且性價(jià)比高，不但光效可達(dá)150 lm/W，每千流明價(jià)格亦不到2美元，比起歐美廠商生產(chǎn)的大功率LED具有很大的優(yōu)勢(shì)。三星及LG打算在LED照明也和LED背光一樣采取垂直整合的模式，由LED磊晶、晶粒、封裝到制成燈泡，然后透過(guò)其電子產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)通路銷(xiāo)售，一氣呵成，希望復(fù)制其在LED背光電視成功的模式。
歐美的LED廠商，如飛利浦Lumileds，歐司朗及美國(guó)的科銳及普銳光電，在過(guò)去LED照明市場(chǎng)以主推高功率LED為主，由于高功率LED每單位流明的價(jià)格遠(yuǎn)不如中低功率LED封裝組件來(lái)得有競(jìng)爭(zhēng)力，尤其是在價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈的LED球泡燈及LED燈管市場(chǎng)，中低功率LED會(huì)是主流。因此飛利浦Lumileds最近也開(kāi)始供應(yīng)中小功率的LED來(lái)因應(yīng)照明市場(chǎng)的需求。歐美地區(qū)在2006年至2010年間LED封裝組件產(chǎn)值的市占率仍有23~24%，但2011年以后則掉到20%以下 主因是因?yàn)闅W美廠商的大功率LED無(wú)法切入LED背光電視市場(chǎng)，同時(shí)亦不適用于像LED燈管這類(lèi)照明市場(chǎng)，而使得市占率衰退了約5%。亞洲廠商在2009年至2011年的LED產(chǎn)能擴(kuò)充，使得LED封裝組件價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈，利潤(rùn)變差。有鑒于此，歐美廠商大都往下游的應(yīng)用發(fā)展，如美國(guó)科銳并購(gòu)Ruud Lighting，而飛利浦更積極朝向提供客戶LED照明系統(tǒng)解決方案，希望利用其品牌及營(yíng)銷(xiāo)通路的優(yōu)勢(shì)，在LED照明市場(chǎng)上仍維持領(lǐng)先的地位。
臺(tái)灣及大陸是目前擁有MOCVD機(jī)臺(tái)最多的地方，臺(tái)灣具有優(yōu)異的磊晶及晶粒生產(chǎn)技術(shù)，可生產(chǎn)與歐美日廠商同樣質(zhì)量的LED晶粒，而價(jià)格又非常有競(jìng)爭(zhēng)力，但臺(tái)灣的市場(chǎng)容量小，因此大部分產(chǎn)出的LED晶粒及封裝組件都以外銷(xiāo)為主。中國(guó)大陸由于政府的補(bǔ)助，現(xiàn)在擁有的MOCVD機(jī)臺(tái)已達(dá)一千臺(tái)，居世界第一位，但由于技術(shù)差距及有經(jīng)驗(yàn)的人才不足，目前有許多MOCVD仍閑置或產(chǎn)能利用率偏低。當(dāng)然，缺乏自主智慧產(chǎn)權(quán)，也限制了其國(guó)際市場(chǎng)的機(jī)會(huì)。但中國(guó)大陸擁有全世界最大的封裝產(chǎn)能，全世界大部份的LED照明光源及燈具也都在中國(guó)大陸生產(chǎn)，此外中國(guó)大陸人口多，經(jīng)濟(jì)成長(zhǎng)率高，對(duì)于LED照明的需求大，未來(lái)可能成為全世界最大的LED照明市場(chǎng)。兩岸如果能夠共同合作，先利用大陸內(nèi)需市場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，站穩(wěn)腳步，進(jìn)而共創(chuàng)國(guó)際品牌，營(yíng)銷(xiāo)全世界，如此將能擺脫只幫國(guó)際大廠代工生產(chǎn)，賺取微薄利潤(rùn)的宿命，兩岸的半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)就有機(jī)會(huì)在世界大放光明，做一個(gè)不一樣的半導(dǎo)體照明中華夢(mèng)。
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