解析未來(lái)全球LED照明市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)
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目前，我國(guó)半導(dǎo)體LED作為節(jié)能、環(huán)保的主要技術(shù)，已被納入國(guó)家中長(zhǎng)期科技發(fā)展規(guī)劃與“十一五”國(guó)家“863”高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化重大項(xiàng)目，并得到了大力支持。然而，我國(guó)目前LED產(chǎn)品開發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域依然存在許多不足。我國(guó)自主的LED芯片、外延片產(chǎn)量仍有限，產(chǎn)品以中、低檔為主，與國(guó)外差距很大。產(chǎn)業(yè)化規(guī)模偏小，只能滿足國(guó)內(nèi)封裝企業(yè)需求量的20%-30%，大部分高性能的LED和大功率LED產(chǎn)品均要依賴進(jìn)口。此外，在LED的應(yīng)用市場(chǎng)方面，也存在著由于產(chǎn)品種類、品種參差不齊問(wèn)題而引起的制約，尤其是在通用照明領(lǐng)域，由于存在的技術(shù)不足，使其無(wú)法進(jìn)行規(guī)模化普及應(yīng)用。因此，推廣對(duì)LED封裝技術(shù)的發(fā)展力度，提升自身核心技術(shù)并實(shí)現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)是LED產(chǎn)業(yè)發(fā)展的最關(guān)鍵一步。
一、LED照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)與分析
1.大功率的高亮LED增勢(shì)迅猛，逐漸成為主流產(chǎn)品
2008年，全球LED市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到80億美元，所占整個(gè)LED產(chǎn)品的市場(chǎng)比例由2001年的40％增長(zhǎng)到2005年的70％以上，其中高亮度LED在1995-2004年間的年均增長(zhǎng)率達(dá)到46％。美國(guó)市場(chǎng)研究公司Communications In-dustry Researchers（CIR）預(yù)測(cè)，全球LED的市場(chǎng)規(guī)模年均增長(zhǎng)率超過(guò)30％，2009年市場(chǎng)規(guī)模將超過(guò)100億美元。近年來(lái)，隨著LED在照明、小尺寸面板背光源以及室內(nèi)照明等新應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展，高亮度LED過(guò)去數(shù)年一直處于高速增長(zhǎng)階段，在LED中的比重將逐步加大，已成為L(zhǎng)ED主流產(chǎn)品。
2.通用照明實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破，照明升級(jí)工程產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)巨大
通用照明占照明領(lǐng)域的90％的市場(chǎng)份額。半導(dǎo)體照明作為繼白熾燈、熒光燈、節(jié)能燈后，具有革命性意義的第四代新型高效固體光源，具有壽命長(zhǎng)、節(jié)能、綠色環(huán)保等顯著優(yōu)點(diǎn)。但目前LED的應(yīng)用領(lǐng)域主要在特種照明，目前美國(guó)、日、韓、歐洲、中國(guó)及臺(tái)灣在LED科技攻關(guān)方面都已啟動(dòng)專項(xiàng)國(guó)家規(guī)劃，如果用于通用照明的技術(shù)一旦成熟，將面臨一個(gè)對(duì)500億美元照明市場(chǎng)份額的重新瓜分，因此照明升級(jí)工程產(chǎn)業(yè)機(jī)會(huì)巨大。
3.中國(guó)LED照明產(chǎn)業(yè)應(yīng)該向封裝高檔產(chǎn)品和光源產(chǎn)品升級(jí)方向努力
在LED領(lǐng)域，主要有三個(gè)環(huán)節(jié)，即發(fā)光半導(dǎo)體外延片的生長(zhǎng)、芯片和封裝。目前國(guó)內(nèi)三個(gè)環(huán)節(jié)都有，在中低端的應(yīng)用領(lǐng)域還有一定基礎(chǔ)。但是在關(guān)鍵環(huán)節(jié)，尤其是外延片的生長(zhǎng)環(huán)節(jié)，與世界一流水平還有較大的差距。
3.1必要性
目前我國(guó)的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)主要在封裝，從封裝產(chǎn)值區(qū)域分布來(lái)看，我國(guó)在2008年封裝產(chǎn)值約25億美元，已經(jīng)超越日本、臺(tái)灣成為全球最大的封裝地區(qū)，并具備市場(chǎng)與技術(shù)核心競(jìng)爭(zhēng)能力。但是國(guó)家和政府對(duì)此的重視卻不多，如果臺(tái)灣和日本等國(guó)家地區(qū)從經(jīng)濟(jì)危機(jī)中緩解或走出，隨時(shí)可能會(huì)形成日本獨(dú)大、臺(tái)灣地區(qū)與美國(guó)齊進(jìn)、歐韓中“平分秋色”的分布格局，我們將再一次失去主導(dǎo)權(quán)和先機(jī)。因此我們應(yīng)在已有的產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢(shì)上升級(jí)，向封裝的高檔產(chǎn)品努力，同時(shí)在通用照明技術(shù)方向上多下功夫，突破LED產(chǎn)業(yè)的技術(shù)專利壁壘，培育新興市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
(1)目前國(guó)家對(duì)于整個(gè)LED產(chǎn)業(yè)鏈的重點(diǎn)工作放在上游外延、芯片及下游燈具應(yīng)用這兩部分。上游投資陸續(xù)資金已經(jīng)很大，但是收效甚微，反而與國(guó)際上游龍頭的差距越來(lái)越大。下游產(chǎn)品又因?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量問(wèn)題，參差不齊，難以保證穩(wěn)定的長(zhǎng)壽命使用效果。這樣會(huì)造成使用者對(duì)我國(guó)LED產(chǎn)品產(chǎn)生懷疑并多持保守和負(fù)面的態(tài)度。這樣各方面的意見(jiàn)反饋到政府領(lǐng)導(dǎo)，然后國(guó)家才重視整頓LED市場(chǎng)，最后的結(jié)果又是一次“叫?！?，導(dǎo)致需要國(guó)家花費(fèi)大量的人力和資源，引進(jìn)國(guó)外龍頭企業(yè)的先進(jìn)封裝技術(shù)來(lái)指導(dǎo)國(guó)內(nèi)的下游產(chǎn)品，這樣我們將又一次失去與對(duì)整個(gè)LED行業(yè)的話語(yǔ)權(quán)，國(guó)內(nèi)的市場(chǎng)渠道也會(huì)以O(shè)EM等形式被占領(lǐng)。
(2)到現(xiàn)在為止，因?yàn)樗拇簖堫^企業(yè)（CREE、PHILPS、OSRAM、日亞化工）各有不同的技術(shù)路線和專利壟斷保護(hù)，以及其封裝技術(shù)的不成熟等原因，所以目前整個(gè)行業(yè)內(nèi)尚未有一個(gè)關(guān)于LED光源的標(biāo)準(zhǔn)。如果我們先進(jìn)的LED光源企業(yè)和單位，尤其是具有核心技術(shù)先進(jìn)性的大功率LED光源企業(yè)和單位，在政府的支持和推動(dòng)下，組織科研人員，對(duì)此進(jìn)行全新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)與制定，堅(jiān)持科學(xué)實(shí)踐和創(chuàng)新發(fā)展的基本原則，將會(huì)在全球LED行業(yè)至少是中上游這一塊取得實(shí)質(zhì)性的突破。如果能在國(guó)際上參與和指導(dǎo)最后國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的制定，將會(huì)是中國(guó)科學(xué)技術(shù)力量繼航天科學(xué)技術(shù)之后又一次的科學(xué)創(chuàng)舉，從而直接使我國(guó)在LED行業(yè)的國(guó)際影響力得到根本認(rèn)識(shí)的改觀，達(dá)到一個(gè)新的高度。
二、大功率LED光源的核心技術(shù)與優(yōu)勢(shì)
LED一般上來(lái)說(shuō)是由外延片-芯片-光源-燈具的四個(gè)環(huán)節(jié)組成，在LED產(chǎn)業(yè)中下游應(yīng)用上關(guān)鍵點(diǎn)是怎么解決熱阻和結(jié)溫等關(guān)鍵問(wèn)題的前提條件下，保持芯片穩(wěn)定的有效光輸出。
一直以來(lái)，LED光源的一般照明應(yīng)用中存在著光源的高導(dǎo)熱金屬材質(zhì)問(wèn)題、應(yīng)用的熱平衡問(wèn)題、長(zhǎng)效熒光粉問(wèn)題和配光問(wèn)題等四個(gè)核心技術(shù)瓶頸：
▲郭文俊
核心技術(shù)1：高導(dǎo)熱金屬材質(zhì)
目前上游龍企業(yè)，比如CREE已經(jīng)可以做到的芯片光效可以達(dá)到130-150lm/W。但是LED結(jié)溫高低直接影響到LED出光效率、器件壽命、可靠性、發(fā)射波長(zhǎng)等。保持LED結(jié)溫在允許的范圍內(nèi)，是大功率LED芯片制備、器件封裝和器件應(yīng)用等每個(gè)環(huán)節(jié)都必須重點(diǎn)研究的關(guān)鍵因素，尤其是LED器件封裝和器件應(yīng)用設(shè)計(jì)必須著重解決的核心問(wèn)題。
現(xiàn)在主流的應(yīng)用技術(shù)材質(zhì)是用鋁基板來(lái)封裝，但是鋁基板封裝的芯片散熱和光轉(zhuǎn)換效率都存在技術(shù)核心瓶頸，不能有效地控制結(jié)溫和穩(wěn)定地維持高功率的光輸出，并且應(yīng)用會(huì)因?yàn)樾酒庑г礁?，所需的鋁基板面積就越大，會(huì)加大成本和應(yīng)用體積，極為不便。所以如何走出此誤區(qū)另辟新路是新的技術(shù)核心特點(diǎn)。
核心技術(shù)2：熱平衡技術(shù)
LED器件采用專利熱平衡散熱結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)，在保持低成本和被動(dòng)散熱方式的前提下，利用高導(dǎo)熱介質(zhì)，通過(guò)嶄新的器件/燈具整體結(jié)構(gòu)，成功降低熱阻，有效降低PN結(jié)結(jié)溫，使PN結(jié)工作在允許工作溫度內(nèi)，保持最大量光子輸出。其特點(diǎn)如下：
(1)超低熱阻材料，快速散熱整體結(jié)構(gòu)技術(shù)；
(2)高導(dǎo)熱、抗UV封裝技術(shù)；
(3)應(yīng)用低環(huán)境應(yīng)力結(jié)構(gòu)技術(shù)；
(4)整體熱阻＜20K/W，結(jié)溫＜80度；
(5)LED光源照明模組工作溫度控制在65℃以下。
核心技術(shù)3：高效熒光粉的應(yīng)用
目前市場(chǎng)上所常用的白光LED發(fā)光熒光粉應(yīng)用技術(shù)是將GaN芯片和釔鋁石榴石（YAG）封裝在一起做成，該技術(shù)是日本日亞化工在上世紀(jì)90年代末發(fā)明，并形成專利技術(shù)壟斷。GaN芯片發(fā)藍(lán)光（λp=465nm，Wd=30nm），高溫?zé)Y(jié)制成的含Ce3+的YAG熒光粉，受此藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出黃色光發(fā)射，峰值550nm。藍(lán)光LED基片安裝在碗形反射腔中，覆蓋以混有YAG的樹脂薄層，約200-500nm。LED基片發(fā)出的藍(lán)光部分被熒光粉吸收，另一部分藍(lán)光與熒光粉發(fā)出的黃光混合，可以得到得白光。理論上對(duì)于In-GaN/YAG白色LED，通過(guò)改變YAG熒光粉的化學(xué)組成和調(diào)節(jié)熒光粉層的厚度，可以獲得色溫3500-10000K的各色白光。但是這種傳統(tǒng)的白光LED工藝基礎(chǔ)上采用的還是藍(lán)光LED，所以當(dāng)色溫偏高時(shí)，色彩會(huì)向藍(lán)色偏移，而產(chǎn)生色飄，形成一定的光污染。必須采用在降低光效、降低整體熱阻的情況下，方可實(shí)現(xiàn)相對(duì)的穩(wěn)定，但是衰減情況還是不容樂(lè)觀。
目前已商品化的第一種產(chǎn)品為藍(lán)光單晶片加上YAG黃色熒光粉，其最好的發(fā)光效率約為35流明/瓦，YAG多為日本日亞公司的進(jìn)口，價(jià)格在2000元/公斤；第二種是日本住友電工亦開發(fā)出以ZnSe為材料的白光LED，不過(guò)發(fā)光效率較差。
核心技術(shù)4：LED一次配光學(xué)的應(yīng)用
目前全球LED行業(yè)內(nèi)的主流做法是在封裝LED芯片形成光源或光源模組以后，在做成燈具的時(shí)候再進(jìn)行配光，這樣采用的是原有傳統(tǒng)光源的做法，因?yàn)閭鹘y(tǒng)光源是360°發(fā)光。如果要把光導(dǎo)到應(yīng)用端，目前飛利浦的傳統(tǒng)燈具做到最好的一款，光損失也達(dá)到40％。而我們國(guó)內(nèi)眾多的LED下游廠家應(yīng)用的燈具光學(xué)參數(shù)其實(shí)都是芯片或者光源的光學(xué)參數(shù)，而不是整體燈具的的光學(xué)指標(biāo)參數(shù)。
現(xiàn)在最先進(jìn)的科學(xué)方法是在芯片封裝上就做配光，一次把芯片的光導(dǎo)出來(lái)，維持最大的光輸出，這樣光損率只有5％－10％。隨著技術(shù)的不斷改進(jìn)，光損率將會(huì)越來(lái)越低，光源的光效會(huì)越來(lái)越高。同樣配有這樣的光源燈具無(wú)需再做配光，相對(duì)的燈具效率將會(huì)大大提高，使之更為廣泛地使用到功能性照明之中，形成相當(dāng)規(guī)模的市場(chǎng)渠道。
馮耀元
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