照明用LED芯片與封裝器件發展概述

童 敏，邵嘉平

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

照明用LED芯片與封裝器件發展概述

童 敏1，邵嘉平2

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

LED技術的不斷進步大幅提高了能源效率，帶來了LED照明系統成本的下降。LED照明產業鏈所有環節的集中度正在進一步聚攏。在上游外延芯片、中游封裝器件領域，歐美、日韓與中國臺灣地區、中國大陸，在LED產品數量產出上相差懸殊，但在總體營業額方面卻大致“三分天下”。通過分析大量的行業報告和統計數據，我們探討了照明用LED芯片與封裝器件的發展現狀與趨勢。照明用LED芯片與封裝器件越來越向更加標準化、更大規模化的趨勢發展。

LED；芯片；器件；聚攏度；照明；封裝；標準

引言

LED技術在過去近20年時間里有了非常顯著的進步，特別在照明領域，不僅大幅提高了能源效率，還帶來出眾的光色品質，同時由技術進步帶來系統成本的下降也正在進一步改變整個照明產業的格局[1-2]。

在LED照明技術和產業規模保持總體發展的今天，LED照明市場競爭不斷加劇，產品推陳出新，新的技術名稱不絕于耳，這也著實讓許多的從業者對未來如何更好地生存和發展產生了一些迷惘。我們通過分析大量的行業報告和統計數據，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展，希望能提供一些有益的參考。

1 LED照明發展現狀

從美國能源部在2016年6月發布的固態照明研發計劃(Solid-State Lighting R&D Plan)[3]中(圖1)，我們可以了解到，通過LED技術的不斷進步，熒光轉換型(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。

根據美國能源部DOE最新報告[4-5]，LED照明在過去15年時間里為美國能源成本節約貢獻了28億美元，隨著技術的不斷進步，未來將帶來更為顯著的能源節約。預計到2035年，LED照明將能降低75%的美國全國照明用電量，相當于目前4 500萬戶美國家庭的總體能源消耗，每年為美國家庭和商業節約500億美元，這還不包括增加的就業機會和對經濟的提升。

在中國，LED照明產業整體產值[6](圖2)于2016年達到5 216億元人民幣，較2015年同比增長22.8%，產業規模實現穩步增長。

圖1 固態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 中國半導體照明產業發展規模[6]Fig.2 Market Size of China’s LED Lighting Industry[6]

2 照明用LED芯片與封裝器件發展趨勢

綜合分析Strategies Unlimited/IHS/LEDInside/美國能源部等不同調研機構與政府部門的報告以及歐司朗光電半導體、亮銳、科銳等公司的內部統計數據，結合國內外其他主要芯片與封裝企業(主要是木林森、國星、瑞豐、鴻利、斯邁得、聚飛、首爾半導體、三星LED、LG英諾特、Lumens、三安、華燦、晶元等)的運營發布，日亞、西鐵城LED、松下LED、Stanley、羅姆、夏普LED等日系企業數據，主要依據其市場上代表性客戶使用量推測，我們可預計：

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

2)歐美、日韓與中國臺灣地區、中國大陸在營業額上大體“三分天下”，在上游外延芯片、中游封裝器件領域皆如此。

3)LED產業集中度在進一步聚攏，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計算)產能，每年1 000 萬片級(含以上)企業數量僅為有限的五六家。

4)企業間芯片與封裝器件的技術差距有所縮小，但依然存在。

(i)以標準的EMC 3030 1 W(6 V/150 mA)或者PCT 2835 1 W(9 V/100 mA)為例，相關色溫CCT 4 000 K或者2 700 K、顯色指數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，若要達到相同的光通量流明數輸出，或者相近的光效lm/W水平，日韓與中國臺灣地區、中國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勢；

(ii)以標準的陶瓷基3535或3232(350 mA/700 mA/1 500 mA)1 W/3 W/5 W為例，相關色溫CCT 6 500 K或者3 000 K、顯色指數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160 lm/W～180 lm/W水平，高于日韓廠商、中國廠商約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，相關色溫CCT 3 000 K或者3 500 K、顯色指數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120 lm/W ～ 140 lm/W水平，高于日韓廠商、中國廠商約10%以上。

5)芯片與封裝器件的市場均價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、日韓與中國臺灣地區、中國大陸廠商在LED芯片與封裝領域的大致數量占比示意(約為10%/30%/60%)。值得注意的是由于技術和品牌附加值等方面的差異，三個區域盡管在數量產出上相差懸殊，但總體金額卻大致相當。

圖3 全球各地區LED芯片與封裝領域的數量對比Fig.3 Quantity Comparison of Chip and Packaging Manufacturers in Different Global Regions

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

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

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

我們同時可以看到，伴隨著全產業鏈聚攏度的增強，照明用LED芯片與封裝器件也越來越向更加標準化、更大規模化的趨勢發展：

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

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

3)大功率3535/3232、5050、7070等陶瓷封裝的光效進一步提升(高強氣體放電燈HID 250 W/250 W/400 W等替換應用、多集中于專業燈具)；

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，燈具上陣列式應用于1 000 W/2 000 W金屬鹵化物燈等替換應用)；

5)COB標準功率密度、高功率密度、特殊色點 (發光面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型球泡燈等應用；

7)其他倒裝Flip Chip、芯片級封裝CSP等封裝樣式，用于背光、閃光、投影等應用領域；

8)其他彩光、近紅外光用于舞臺、景觀亮化、植物生長燈的光源等。

從LED技術發展的層面來看，外延襯底(第三代半導體SiC襯底材料、PSS圖形化襯底)和工藝優化(有源區設計)、芯片技術(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發展的重點。這些重點和趨勢不論是在美國能源部發布的2017版固態照明項目組合(2017 Project Portfolio: Solid-State Lighting)[5]，還是在國家發展改革委發布的《戰略性新興產業重點產品和服務指導目錄(2016版)》[7]中均有所體現。

照明用LED封裝器件在未來數年的熱點[8-9]，將主要集中于以下幾個方面：

1)中低功率LED：光源類應用市場趨緩。由于產品的日益標準化，產品價格迅速下降，已接近生產成本，未來產品降價幅度減小，產能持續集中向少數規模型企業，產品規格也更為統一，3030、2835(0.5 W以上)為需求最集中的產品類型；

2)大功率LED：隨著技術持續提升，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，在專業類燈具上進一步提高性價比；

3)COB型LED：在商業照明領域擁有中功率型LED所沒有的產品設計靈活度和高光強燈優勢，在高端照明市場繼續保持競爭優勢(如圖6所示)；

4)LED燈絲燈：刺激LED照明市場增長的又一動力，主要生產地為中國，大部分為出口市場，用于強調氣氛與裝飾照明，將帶動整體市場的需求。

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

3 結束語

目前LED產業的發展是機遇和挑戰并存，在全球化、聚攏化的大背景下，我們應該相信，大者恒大、強者恒強、優勝劣汰、不進則退。同時，我們也需要不斷推進LED技術創新，在外延結構、芯片架構、光學轉換等取得更大的科技進步，借鑒在照明應用中的專業技術，大幅提升照明應用中LED的性能，大力推動LED產業的持續發展。

[1] 竇林平.2016中國LED照明行業趨勢展望. 照明工程學報，2016，27(1)：I0007.

[2] 吳玲.“十三五”我國半導體照明產業發展展望. 照明工程學報，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] 國家半導體照明工程研發及產業聯盟.2016年中國半導體照明產業發展白皮書.2016.

[7] 國家發展改革委.戰略性新興產業重點產品和服務指導目錄(2016版).2017.

[8] LEDinside.2017照明級封裝與LED照明市場展望.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