半导体照明演化与未来展望

本文选自《半导体照明中国梦》 转载请注明：

1997年日亚化学发表了白光发光二极管(LED)，燃起全球对实现半导体照明可能性的希望，各国政府及企业都高度重视。半导体照明可以取代传统照明光源，除了节能省电，解决能源短缺的问题，并可以带来庞大商机。经过十多年来努力，白光发光二极管的光效在实验室已达200 lm/W以上，而市售的产品也已经可以达到150lm/W以上，已超越传统的白炽灯泡、节能灯以及荧光灯管等。各国政府也将陆续禁止白炽灯泡的使用，再加上LED灯泡的价格与传统照明光源比较，已达到具有市场竞争力的程度，未来这几年LED照明市场将步入快速成长期。

一、过去十年LED产业的发展

2002年由于手机的背光及按键采用白光及蓝光氮化镓发光二极管，使得发光二极管的需求显著增加，根据市调公司Strategies Unlimited的数据显示，全世界发光二极管封装组件市场在2001年至2004年这一段期间，年营收的平均成长高达44%，这是全球发光二极管产业第一波的大成长。

在2004年至2007年这一段期间，市场的应用开始朝向更大面积的GPS屏幕、电子相框和笔记本电脑(Notebook)等背光发展，发光二极管市场持续成长，LED光效则不断提升，价格则因量大而逐步下降。2008年第四季起由于遭遇金融海啸的影响，全球景气转差，LED晶粒价格跌幅扩大，然由于台湾晶粒厂商和韩国厂商三星及LG合作，适时推出侧光式LED背光源的液晶电视，由于采用LED混光技术(mix-bin) ，提升晶粒使用率，以及晶粒价格的降低，使得采用侧光式LED背光源的液晶电视与采用冷阴极管(CCFL)当背光源的液晶电视价差缩小，再加上侧光式LED背光的液晶电视，具有超薄屏幕及重量轻的优点，带动了发光二极管第二波大量的需求，2010年全球高亮度发光二极管的市场较2009年大幅成长了93%。

但2011年由于受到全球经济景气复苏脚步缓慢的影响，LED背光的液晶电视销售不如预期，另一方面中国大陆的LED企业，在政府的政策性支持及财务补贴下，大幅的扩充产能，造成LED的供给远大于需求，市场上LED组件的杀价竞争更趋激烈。然而也由于LED组件价格的下降，让LED照明光源的价格不再高不可攀，美国科锐 (CREE) 于2013年2月推出的60瓦白炽灯取代型LED灯泡，以9.5瓦的耗电量可以发出800流明的亮度，而售价只有12.97美元。随后欧洲的欧司朗 (OSRAM) 于2013年4月也宣布将开始销售价格低于10欧元的LED灯泡。虽然LED灯泡的价格竞争越演越烈，但这将有助于刺激消费大众的购买意愿。因此，一般预期照明的甜蜜点已经到来，高亮度发光二极管产业即将进入第三波的高成长期。

二、过去十年来全球各区域LED产业的变化

依据市调机构Strategies Unlimited的报告显示，直到2008年以前LED封装组件的产值以日本为第一，台湾排名第二，紧接的是欧洲、美国、韩国及中国大陆(如表(一)所示)。但到了2010年韩国厂商的市场占有率一举从2009的13%大幅跃升到28%，日本虽仍维持世界第一的位置，但LED封装组件的产值占比已从2009年的44%滑落至2010年的33%。韩国能够从原来市占率落后台湾及欧美，而在不到两年的时间大幅超前,并有三家厂商，三星、LG及首尔半导体名列世界前十大，其主要是凭借着三星及LG力推LED背光的液晶电视，且三星及LG的LED背光是采用内部垂直整合的方式来发展，从LED的磊晶成长、晶粒制作、组件封装、到背光灯条的制作，完全自制，并提供给自行生产的LED背光液晶电视使用。而三星及LG力推LED背光电视的成功，也让LED背光的液晶电视渗透率由2009年的2%，约300万台，大幅增加到2010年17%，约3100万台，当然也创造了LED的大量需求。虽然三星及LG在2009年开始推LED背光电视时，初期自己内部无法提供足够数量合乎规格的的高光效LED封装组件，而必须仰赖台湾LED厂商提供晶粒及封装产品，但三星、LG、及首尔半导体很快的便将LED产能扩充完成，韩国厂商的MOCVD设备在2008年还不到100台，但到了2011年其MOCVD的机台数已迅速的增加至约450台。由于所生产的LED封装组件将优先使用于自有品牌的LED背光电视，也因此让韩国的LED封装组件产值市占率迅速窜升。但随着LED背光在LCD电视及监视器的渗透率将于今年2013年逐步提升至90%，已接近饱和，未来成长的空间有限，未来LED封装组件产值的成长主要动能将来自通用照明。

三、技术进步加速LED照明时代的来临

随着全球许多国家开始禁用白炽灯泡，以及LED灯泡效率的提升和价格的降低，LED已由景观照明、户外照明、逐渐渗透到商业照明的领域，并将在未来几年大幅取代白炽灯泡成为居家照明的主要光源。

当然，要取代传统照明光源，LED的光效必须不断的提升，不仅要超过白炽灯的10~15流明/瓦，紧凑型荧光灯的40~60流明/瓦，甚至要超越直管型的荧光灯管80~100流明/瓦。根据更新后的美国能源部固态照明研发产品路线图，在2013年冷白光的LED效率要达到180流明/瓦以上，而暖白光要达到150流明/瓦以上。

LED封装组件的效率在过去几年来有着显著的进步，2005大部份白光LED封装组件的光效约只有60流明/瓦左右，但到了今年大部份厂商已有能力达到150流明/瓦。比如日本丰田在2012年2月便宣称其3528封装的白光LED光效可以达到170流明/瓦，并从4月开始量产供货，台湾的亿光也可以供货150流明/瓦3014LED封装组件。而韩国的首尔半导体于2013年7月也宣布其中功率5630LED光效达到180流明/瓦。

LED照明要得到普及，除了LED 的光效要提升外，更重要的因素是价格要有竞争力。依据美国能源部的固态照明研发产品路线图，于2013年每千流明冷白光的价格要小于4美元，而暖白光的LED每千流明价格要小于5.1美元。而到2020年不论冷白光或暖白光LED封装组件每千流明的价格要下降到小于1美元，也就是每千流明的价格大约是现在的1/5。这是一个非常大的挑战，依据美国能源部2013年4月发布的固态照明研发多年计划书，2012年飞利浦Lumileds公司的冷白光高功率LED光效是130流明/瓦，每千流明的价格约5美元，是比美国能源部计划的目标每千流明价格6美元稍低，但在LED光效上也稍逊于2012年目标值150流明/瓦。[!--empirenews.page--]

为了进一步降低每千流明价格，欧、美、日及韩国的许多LED上游磊晶及晶粒厂都尝试改用6英寸的蓝宝石芯片来增加产能，减少芯片边缘的损失来提升LED晶粒生产的良率，但这对于台湾及大陆的上游磊晶及晶粒厂来说并不见得有利，因为目前LED晶粒是处于生产过剩的情形，还要投入资本来扩建6英寸的产线，再加上6英寸蓝宝石芯片每单位面积的价格仍远高于2英寸和4英寸。因此，台湾及大陆厂商短期内将还是会以4英寸蓝宝石芯片为主。但是进入6英寸生产，是无法让成本达到期望值的。

由于6英寸的蓝宝石芯片较贵，因此，欧司朗、东芝、Bridglux、Plessey、Azzurro及晶能光电尝试以硅芯片来代替蓝宝石芯片，但硅芯片由于与氮化镓材料晶格不匹配，且热膨胀系数也差异很大，这让成长质量好的磊晶层难度增加。虽然硅芯片的价格非常便宜，然由于硅芯片会吸收可见光，在LED晶粒制造过程中还需要先贴合到另一片透明或者具有光反射层的基板上，再将硅芯片从氮化镓磊晶层移除，这些额外的制造过程也会增加LED晶粒的制造成本。因此虽然目前日本的东芝、英国的Plessey及大陆的晶能光电已开始生产销售采用硅基板的蓝光发光二极管晶粒或封装好的白光发光二极管。但飞利浦Lumileds则决定暂时放弃在硅基板上成长氮化镓的计划，而仍专注于采用6英寸蓝宝石基板来降低晶粒生产成本。未来氮化镓磊晶采用硅基板是否能成为主流，将决定于能否克服氮化镓磊晶长在硅基板上所生产芯片破裂、弯曲而造成生产良率低的问题。

要降低每千流明LED价格另外一种可行方式便是将同样大小的LED晶粒在较大的电流下操作，产生较高的流明值，如此在相同输出流明数时，一个LED灯泡所需用到的LED颗数就可以减少。通常一颗1毫米平方大小的LED晶粒，其操作电流是使用在350毫安，如果操作在1安培，而LED的光效不会降低太多，便能够减少一半以上的LED封装组件使用量，但前提是所制造生产的LED能够在高电流下操作而光效率不能降低太多，当然也不能影响LED 组件应有的使用寿命。这种在较大电流密度下可以操作的LED，在某些LED应用上也不见得有优势，比如全周光的LED灯泡或直管式的荧光灯管，还需要利用光学组件或光扩散膜等来解决眩光，或让光均匀分布等问题，而且由于LED在大的电流密度下操作，热量集中，散热处理的成本也会增加。因此，这种可在大的电流密度下操作的高功率LED，比较适合于有指向性的LED 照明光源，如射灯。

LED封装组件的成本，除了LED 晶粒以外，其它封装材料，如支架、硅胶、荧光粉、封装制造费用，也占了超过一半以上的费用，仍有很大的空间可以节省下来。目前COB(Chip on board)产品，直接将多颗LED晶粒封装在铝基板核心的PCB或陶瓷基板上形成面光源，相较于传统单颗封装制程，不但能够节省一次封装的成本、光引擎模块制作成本和二次配光成本，同时可以解决点光源所产生的叠影及眩光的问题，使用上有愈来愈普遍的现象。

至于在LED晶粒的制作过程中，加入几道工艺将荧光粉及光学组件整合到LED晶粒上的晶粒型封装(Chip scale package)，由于使用到的封装材料更少，相对于目前SMD封装产品价格可以更便宜，也是未来的一个发展趋势。

四、未来全球各区域LED产业的变化

LED照明的发展与LED发光效率和成本有密不可分的关系，LED的光效如果没有超过传统照明光源，或者价格比传统光源贵太多，LED照明便无法大量取代传统照明。而LED照明光源的效率与价格主要取决于LED晶粒的发光效率与生产成本，因此，早期谁能够在LED晶粒研发制造技术上取得领先，将会影响其在照明市场上的竞争力。由于LED照明可能取代传统照明，而传统照明厂商又不能将原有市场拱手让出，因此，不是自行研发生产制造，便是要与其他公司策略合作。飞利浦公司与美国安捷伦公司于1999年合资成立Lumileds Lighting B.V.，后来在2005年买入安捷伦公司拥有的股份及2007年买入员工的股份，让Lumileds成为飞利浦公司的子公司便是着眼于要能够掌控LED照明的核心技术，支持飞利浦照明持续发展所需。

日本的日亚(Nichia)及丰田合成(TG)由于最早投入氮化镓蓝光发光二极管的研发及生产，目前仍在技术上保持优势，两家公司都只从事LED磊晶、晶粒，到封装的制造生产，且以销售LED封装组件为主。日本在LED封装组件产值仍能维持世界第一，主要靠日亚及丰田合成两家公司。日亚仍有持续扩产的计划，预计到2015年将产能扩充到2011年250亿颗晶粒的4倍，也就是1000亿颗，以确保其在未来几年仍保持领先的地位。日本其他传统的LED公司如夏普(Sharp)、西铁城(Citizen)、东芝(Toshiba)、史坦利(Stanley)、松下(Panasonic)及罗姆(Rohm)由于专利的限制，多与日亚或丰田合作，或向美国科锐公司购买蓝光发光二极管晶粒，再封装成白光LED销售，因此，这几家在LED产业的市占率难以扩大。Sharp虽然在2008及2009年与日亚及丰田签定专利许可协议，并建立一座年产50亿颗LED晶粒的工厂，但由于规模太小，无法让Sharp重回LED市占率前五大的公司。至于LED照明光源及灯具的开发，日本也是最早投入的国家，几家传统照明公司如东芝、松下、日立、NEC等也都积极的投入，但由于过去这些公司只专注日本市场，而日本市场的容量不大，因此日本厂商这几年也开始积极进军国际市场。

韩国厂商利用LED背光电视的机会，扩充了LED晶粒及封装产能，由于LED技术的快速进步，三星及LG因而将LED背光使用的中功率LED导入照明的应用，由于中功率LED已大量运用于LED背光，价格低且性价比高，不但光效可达150 lm/W，每千流明价格亦不到2美元，比起欧美厂商生产的大功率LED具有很大的优势。三星及LG打算在LED照明也和LED背光一样采取垂直整合的模式，由LED磊晶、晶粒、封装到制成灯泡，然后透过其电子产品营销通路销售，一气呵成，希望复制其在LED背光电视成功的模式。

欧美的LED厂商，如飞利浦Lumileds，欧司朗及美国的科锐及普锐光电，在过去LED照明市场以主推高功率LED为主，由于高功率LED每单位流明的价格远不如中低功率LED封装组件来得有竞争力，尤其是在价格竞争激烈的LED球泡灯及LED灯管市场，中低功率LED会是主流。因此飞利浦Lumileds最近也开始供应中小功率的LED来因应照明市场的需求。欧美地区在2006年至2010年间LED封装组件产值的市占率仍有23~24%，但2011年以后则掉到20%以下 主因是因为欧美厂商的大功率LED无法切入LED背光电视市场，同时亦不适用于像LED灯管这类照明市场，而使得市占率衰退了约5%。亚洲厂商在2009年至2011年的LED产能扩充，使得LED封装组件价格竞争激烈，利润变差。有鉴于此，欧美厂商大都往下游的应用发展，如美国科锐并购Ruud Lighting，而飞利浦更积极朝向提供客户LED照明系统解决方案，希望利用其品牌及营销通路的优势，在LED照明市场上仍维持领先的地位。[!--empirenews.page--]

台湾及大陆是目前拥有MOCVD机台最多的地方，台湾具有优异的磊晶及晶粒生产技术，可生产与欧美日厂商同样质量的LED晶粒，而价格又非常有竞争力，但台湾的市场容量小，因此大部分产出的LED晶粒及封装组件都以外销为主。中国大陆由于政府的补助，现在拥有的MOCVD机台已达一千台，居世界第一位，但由于技术差距及有经验的人才不足，目前有许多MOCVD仍闲置或产能利用率偏低。当然，缺乏自主智慧产权，也限制了其国际市场的机会。但中国大陆拥有全世界最大的封装产能，全世界大部份的LED照明光源及灯具也都在中国大陆生产，此外中国大陆人口多，经济成长率高，对于LED照明的需求大，未来可能成为全世界最大的LED照明市场。两岸如果能够共同合作，先利用大陆内需市场的优势，站稳脚步，进而共创国际品牌，营销全世界，如此将能摆脱只帮国际大厂代工生产，赚取微薄利润的宿命，两岸的半导体照明产业就有机会在世界大放光明，做一个不一样的半导体照明中华梦。

更正声明

《半导体照明中国梦》中第146页《半导体照明演化与未来展望》一文的作者应为李秉杰、陈泽澎。