1、LED产业概述共36页LED产业概述 (2011) 36页LED(Light Emitting Diode),发光二极管,是一种固态的半导体器件,它可以直接把电转化为光。LED的心脏是一个半导体的晶片,晶片的一端附在一个支架上,一端是负极,另一端连接电源的正极,使整个晶片被环氧树脂封装起来。半导体晶片由两部分组成,一部分是P型半导体,在它里面空穴占主导地位,另一端是N型半导体,在这边主要是电子。但这两种半导体连接起来的时候,它们之间就形成一个P-N结。当电流通过导线作用于这个晶片的时候,电子就会被推向P区,在P区里电子跟空穴复合,然后就会以光子的形式发出能量,这就是LED发光的原理。而光的波长
2、也就是光的颜色,是由形成P-N结的材料决定的。 LED的分类1 按发光管发光颜色分按发光管发光颜色分,可分成红色、橙色、绿色(又细分黄绿、标准绿和纯绿)、蓝光等。另外,有的发光二极管中包含二种或三种颜色的芯片。根据发光二极管出光处掺或不掺散射剂、有色还是无色,上述各种颜色的发光二极管还可分成有色透明、无色透明、有色散射和无色散射四种类型。散射型发光二极管和达于做指示灯用。2 按发光管出光面特征分 按发光管出光面特征分圆灯、方灯、矩形、面发光管、侧向管、表面安装用微型管等。圆形灯按直径分为2mm、4.4mm、5mm、8mm、10mm及20mm等。国外通常把3mm的发光二极管记作T-1;把5mm的
3、记作T-1(3/4);把4.4mm的记作T-1(1/4)。由半值角大小可以估计圆形发光强度角分布情况。从发光强度角分布图来分有三类:(1)高指向性。一般为尖头环氧封装,或是带金属反射腔封装,且不加散射剂。半值角为5#176;20#176;或更小,具有很高的指向性,可作局部照明光源用,或与光检出器联用以组成自动检测系统。(2)标准型。通常作指示灯用,其半值角为20#176;45#176;。(3)散射型。这是视角较大的指示灯,半值角为45#176;90#176;或更大,散射剂的量较大。3 按发光二极管的结构分 按发光二极管的结构分有全环氧包封、金属底座环氧封装、陶瓷底座环氧封装及玻璃封装等结构。4
4、 按发光强度和工作电流分按发光强度和工作电流分有普通亮度的LED(发光强度100mcd);把发光强度在10100mcd间的叫高亮度发光二极管。一般LED的工作电流在十几mA至几十mA,而低电流LED的工作电流在2mA以下(亮度与普通发光管相同)。除上述分类方法外,还有按芯片材料分类及按功能分类的方法。LED的色彩与工艺: 制造LED的材料不同,可以产生具有不同能量的光子,借此可以控制LED所发出光的波长,也就是光谱或颜色。历史上第一个LED所使用的材料是砷(As)化镓(Ga) ,其正向PN结压降(VF,可以理解为点亮或工作电压)为1.424V,发出的光线为红外光谱。另一种常用的LED材料为磷(
5、P)化镓(Ga),其正向PN结压降为2.261V,发出的光线为绿光。基于这两种材料,早期LED工业运用GaAs1-xPx材枓结构,理论上可以生产从红外光一直到绿光范围内任何波长的LED,下标X代表磷元素取代砷元素的百分比。一般通过PN结压降可以确定LED的波长颜色。其中典型的有GaAs0.6P0.4 的红光LED,GaAs0.35P0.65 的橙光LED,GaAs0.14P0.86 的黃光 LED等。由于制造采用了鎵、砷、磷三种元素,所以俗称这些LED为三元素发光管。而GaN(氮化镓)的蓝光 LED 、GaP 的绿光 LED和GaAs红外光LED,被称为二元素发光管。而目前最新的工艺是用混合铝
6、(Al)、钙(Ca) 、铟(In)和氮(N)四种元素的AlGaInN 的四元素材料制造的四元素LED,可以涵盖所有可见光以及部份紫外光的光谱范围。发光强度:发光强度的衡量单位有照度单位(勒克司Lux)、光通量单位(流明Lumen)、发光强度单位(烛光Candle power)1CD(烛光)指完全辐射的物体,在白金凝固点温度下,每六十分之一平方厘米面积的发光强度。(以前指直径为2.2厘米,质量为75.5克的鲸油烛,每小时燃烧7.78克,火焰高度为4.5厘米,沿水平方向的发光强度)1L(流明)指1 CD烛光照射在距离为1厘米,面积为1平方厘米的平面上的光通量。1Lux(勒克司)指1L的光通量均匀地
7、分布在1平方米面积上的照度。一般主动发光体采用发光强度单位烛光CD,如白炽灯、LED等;反射或穿透型的物体采用光通量单位流明L,如LCD投影机等;而照度单位勒克司Lux,一般用于摄影等领域。三种衡量单位在数值上是等效的,但需要从不同的角度去理解。比如:如果说一部LCD投影机的亮度(光通量)为1600流明,其投影到全反射屏幕的尺寸为60英寸(1平方米),则其照度为1600勒克司,假设其出光口距光源1厘米,出光口面积为1平方厘米,则出光口的发光强度为1600CD。而真正的LCD投影机由于光传播的损耗、反射或透光膜的损耗和光线分布不均匀,亮度将大打折扣,一般有50的效率就很好了。实际使用中,光强计算
8、常常采用比较容易测绘的数据单位或变向使用。对于LED显示屏这种主动发光体一般采用CD平方米作为发光强度单位,并配合观察角度为辅助参数,其等效于屏体表面的照度单位勒克司;将此数值与屏体有效显示面积相乘,得到整个屏体的在最佳视角上的发光强度,假设屏体中每个像素的发光强度在相应空间内恒定,则此数值可被认为也是整个屏体的光通量。一般室外LED显示屏须达到4000CD平方米以上的亮度才可在日光下有比较理想的显示效果。普通室内LED,最大亮度在7002000 CD平方米左右。单个LED的发光强度以CD为单位,同时配有视角参数,发光强度与LED的色彩没有关系。单管的发光强度从几个mCD到五千mCD不等。LE
9、D生产厂商所给出的发光强度指LED在20mA电流下点亮,最佳视角上及中心位置上发光强度最大的点。封装LED时顶部透镜的形状和LED芯片距顶部透镜的位置决定了LED视角和光强分布。一般来说相同的LED视角越大,最大发光强度越小,但在整个立体半球面上累计的光通量不变。当多个LED较紧密规则排放,其发光球面相互叠加,导致整个发光平面发光强度分布比较均匀。在计算显示屏发光强度时,需根据LED视角和LED的排放密度,将厂商提供的最大点发光强度值乘以3090不等,作为单管平均发光强度。一般LED的发光寿命很长,生产厂家一般都标明为100,000小时以上,实际还应注意LED的亮度衰减周期,如大部分用于汽车尾
10、灯的UR红管点亮十几至几十小时后,亮度就只有原来的一半了。亮度衰减周期与LED生产的材料工艺有很大关系,一般在经济条件许可的情况下应选用亮度衰减较缓慢的四元素LED。配色、白平衡:白色是红绿蓝三色按亮度比例混合而成,当光线中绿色的亮度为69%,红色的亮度为21,蓝色的亮度为10时,混色后人眼感觉到的是纯白色。但LED红绿蓝三色的色品坐标因工艺过程等原因无法达到全色谱的效果,而控制原色包括有偏差的原色的亮度得到白色光,称为配色。当为全彩色LED显示屏进行配色前,为了达到最佳亮度和最低的成本,应尽量选择三原色发光强度成大致为3:6:1比例的LED器件组成像素。白平衡要求三种原色在相同的调灰值下合成
11、的仍旧为纯正的白色。 开篇之辞半导体照明(LED)这个产业现在很热,关注这个新兴产业的大约有这样五类人:一类埋头苦干:已经进入LED行业,正在昂首阔步,抑或苦苦挣扎的同仁们;一类积极试探:一群来自其他光源的邻居们,还有一些八竿子打不着的亲戚,传统照明的朋友居多;一类作壁上观:和光源关联的一些行业机构、投资机构、媒体等,以传统照明领域为主;一类指点江山:大批支持LED光源的专家学者、企业精英,还有著名的CSA;一类等待升迁:那些追求绿色GDP的各级政府官员们,充满期待的支持着。这个命题的上一篇文章粗略介绍了当前国内LED产业的态势,并为大家展示了一次“焦点对谈”的话题观点,更多讲的是整个产业的市
12、场化运营思维,而没有以大篇幅的数据图表分析产业链,那属于咨询公司产业报告的“招式”,本文只想为关注LED的人们提供一些方向性的“心法”,让大家了解在中国做成LED事业,需要把握的基本规则和一些值得关注的方向。有人把LED按产业链关系细分成五个部分:原材料;LED上游产业(外延芯片);LED中游产业(器件封装);LED下游产业(集成应用);测试仪器和生产设备。个人比较喜欢外延芯片、器件封装、集成应用三部分的简洁方式,我想并不矛盾。LED产业具有典型的不均衡产业链结构,上游的“外延芯片”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
13、设备的依赖极强,而处于产业链下游的“器件封装”和“集成应用”环节壁垒很低,属于劳动密集型产业。开篇心法:技术VS市场,双手都要抓,两手都要硬。有感于当今的各类论坛、研讨会大谈技术的同时,却忽略了市场的暗流涌动,或者大家都把自己的市场策略当做“秘笈”,借用一句互联网大佬的话:在今天的商场上已经没有秘密了,秘密不是你的核心竞争力。半导体照明(LED)是高新技术产业,顾名思义,技术无疑是开路先锋,没有技术,你只能站在门外等待了;但技术总有成熟稳定的阶段,对于已经踏入这个产业的同仁,市场就是唯一出路了,没有市场,技术只能在实验室里发霉。所以,千万别让“先锋”成为“先驱”,那不是节能,是在浪费。上游之路
14、LED上游产业主要是指LED发光材料外延制造和芯片制造。由于外延工艺的高度发展,器件的主要结构如发光层、限制层、缓冲层、反射层等均已在外延工序中完成,芯片制造主要是做正、负电极和完成分割检测。技术环境:国际企业在领跑 台湾授权搞得好 国内创新等失效众所周知,外延芯片技术是LED产业发展的关键性技术,而目前的现状是大部分专利技术被国际几大巨头垄断且交叉授权;台湾地区与国际企业的接触比较早,授权方面占尽先机;中国大陆因起步较晚,专利数量较少,不断创新的同时等待2010年起基本专利的逐一失效。值得一提的是,国内晶能光电在技术路线(硅衬底)上有别于国际主流(GaN衬底),具有原创技术产权,潜力存在。专
15、利大战硝烟未尽,国际各大厂商又在力拼技术创新:Cree在做光效的同时推出LED器件,Lumileds在做大功率暖白光、紧凑型和集成解决方案,Osram在改进构造提高量子效率,日本厂商比较有忍者风范,从MOCVD到外延芯片一直在秘密进行、全力拓展,表现不俗。围绕市场,也为了市场,可谓:八仙过海,各显其能。全球LED外延芯片专利技术纷争及授权情况参见下图:图1:LED产业专利纠纷情况图2:各大LED公司专利纠纷及授权情况市场表现:全球市场看中国 国际巨头来争抢 台湾企业欲联手 中国企业当自强面对中国LED市场这块大蛋糕,Lumileds(飞利浦)、Cree、Osram、Nichia诸多国际巨头纷纷
16、切入,在诸多国外芯片厂商中,Cree(中国)似乎更为耀眼,这有赖于Cree相对成熟的技术和唐总长袖善舞的市场拓展能力;Lumileds也不甘示弱,据2010年2月25日Philips公布的季度财报显示,飞利浦照明中的Lumileds板块贡献良多。以晶元为代表的台湾芯片企业似乎更多沿袭了中华智慧,他们“以和为进”,更多采用在大陆投资办厂或与大陆企业联手的方式,悄然蚕食着更多的市场。面对国际巨头及台湾区上游厂商的压力,国内部分LED芯片厂商正忙着争取资金和政府扶持搞功率型白光的研发工作,远远谈不上创新,只有少数比较聪明的厂商在中低端非白光市场担负着收复领地的“职责”,其中厦门三安表现不俗,据传也有
17、新的扩张打算,由此而言,市场的重要性可见一斑。国内LED外延生长和芯片制造的主要企业有厦门三安、大连路美、上海蓝光、上海蓝宝、山东华光、杭州士兰明芯、江西晶能光电、河北同辉、沈阳方大、厦门乾照、江西联创、南昌欣磊、上海大晨、上海宇体、深圳世纪晶源、深圳奥伦德、扬州华夏集成、廊坊清芯、甘肃新天电、武汉迪源、西安中为、广州普光、东莞福地,以及“外资血统”企业如武汉华灿、厦门晶宇、厦门明达和晋江晶蓝等。这些企业中的一部分在芯片结构和工艺改进方面做了大量工作,在提高产品性能、成品率、工艺重复性,提高抗光衰能力和可靠性等方面均取得一定成果,这其中还有一小撮儿企业不知道在打着高科技企业的名头在做什么?总的
18、来说,2010年过半,芯片市场紧俏,下游的大力拉动,终于让这个市场表现“倒金字塔”型的上游产业起色不少,但大家也不要忘了这个领域的“摩尔定律”或者“海兹法则”什么的,希望不是曙光一现,宁可是黎明前的黑暗。上游心法:埋头拉车,也要抬头看路,以高性价比的创新产品去赢得中下游的市场。目前看,想通过纯技术手段取得高端市场的胜利果实,绝非易事,但也不排除再次出现类似于台湾晶元这样的品牌企业,以市场占有率取胜,挣了钱反哺技术。LED上游领域不是以企业数量取胜的产业,市场前景广阔,竞争压力巨大。想尽办法挺过去最重要,如果你听了我的话,在开拓市场的同时,别忘了技术。价格终会降下来,关键是创新,瞄准市场听需求。
19、今天很痛苦,明天更痛苦,后天很美好,但是绝大部分人倒在明天晚上,见不到后天的太阳。创业很艰辛,LED上游的同仁们,要学会用自己的左手去温暖自己的右手,犹如技术和市场。对于那些有意涉足这个领域的斗士,如果此时你没有足够的资金、强大的技术、也没有进入政府的视野,我还是奉劝:感谢关注,请您远离。当然也欢迎资本的介入。技术方面有这样几件事大家还是很关心的:1、衬底材料的技术路线2、外延生长的尺寸选择3、白光与RGB的应用困扰市场方面封装厂常用的LED芯片品牌有:台湾LED芯片厂商:晶元光电(Epistar)简称:ES、(联诠、元坤,连勇,国联),广镓光电(Huga),新世纪(Genesis Photo
20、nics),华上(Arima OptoELectronics)简称:AOC,泰谷光电(Tekcore),奇力,钜新,光宏,晶发,视创,洲磊,联胜(HPO),汉光(HL),光磊(ED),鼎元(Tyntek)简称:TK,曜富洲技TC,灿圆(Formosa Epitaxy),国通,联鼎,全新光电(VPEC)等。华兴(Ledtech Electronics)、东贝(Unity Opto Technology)、光鼎(Para Light Electronics)、亿光(Everlight Electronics)、佰鸿(Bright LED Electronics)、今台(Kingbright)、菱生
21、精密(Lingsen Precision Industries)、立基(Ligitek Electronics)、光宝(Lite-On Technology)、宏齐(HARVATEK)等。 大陆LED芯片厂商:三安光电简称(S)、上海蓝光(Epilight)简称(E)、士兰明芯(SL)、大连路美简称(LM)、迪源光电、华灿光电、南昌欣磊、上海金桥大晨、河北立德、河北汇能、深圳奥伦德、深圳世纪晶源、广州普光、扬州华夏集成、甘肃新天电公司、东莞福地电子材料、清芯光电、晶能光电、中微光电子、乾照光电、晶达光电、深圳方大,山东华光、上海蓝宝等。 国外LED芯片厂商:CREE,惠普(HP),日亚化学(N
22、ichia),丰田合成,大洋日酸,东芝、昭和电工(SDK),Lumileds,旭明(Smileds),Genelite,欧司朗(Osram),GeLcore,首尔半导体等,普瑞,韩国安萤(Epivalley)等。感谢大家的关注,这里不是一言堂,欢迎加入评论,共同探讨。中游之惑(待续)LED中游产业是指LED器件封装产业。在半导体产业中,LED封装产业与其他半导体器件封装产业不同,它可以根据用于现实、照明、通信等不同场合,封装出不同颜色、不同形状的品种繁多的LED发光器件。下游之争(待续)LED下游产业是指器件封装后进行集成应用的产业。LED的应用面很广,其中主要的应用产业有LED显示、LED背
23、光、室外景观照明、室外功能照明、室内装饰照明、室内功能照明、LED交通信号灯、LED车灯、LED景观灯饰、LED特殊照明等,随着LED产业的快速发展,应用涉及的范围越来越广,比如:医疗、农业、渔业舰船等,前景喜人啊。表面粘着型LED的出现是在1980年初,是因应更小型封装和工厂自动化而生。初期厂商裹足不前,主要因素是表面粘着LED最早面临的问题是无法完成高温红外线下焊锡回流的步骤。LED的比热较IC低,温度升高时不仅会造成亮度下降,且超过摄氏100度时将加速组件的劣化。LED封装时使用的树脂会吸收水分,这些水分子急速汽化时,会使原封装树脂产生裂缝,影响产品效益。在1990年初,HP和Sieme
24、ns Component Group合作开发长分子键聚合物,作为表面粘着型LED配合取放机器的设计,表面粘着型LED到此才算正式登场。LEDLight Emitting Diode。发光二极管。LED为通电时可发光的电子组件,是半导体材料制成的发光组件,材料使用III- V族化学元素(如:磷化镓(GaP)、砷化镓(GaAs)等),发光原理是将电能转换为光,也就是对化合物半导体施加电流,透过电子与电洞的结合,过剩的能量会以光的形式释出,达成发光的效果,属于冷性发光,寿命长达十万小时以上。LED最大的特点在于:无须暖灯时间(idling time)、反应速度很快(约在10-9秒)、体积小、用电省、
25、污染低、适合量产,具高可靠度,容易配合应用上的需要制成极小或数组式的组件,适用范围颇广,如汽车、通讯产业、计算机、交通号志、显示器等。LED又可以分成上、中、下游。从上游到下游,产品在外观上差距相当大。上游是由磊芯片形成,这种磊芯片长相大概是一个直径六到八公分宽的圆形,厚度相当薄,就像是一个平面金属一样。LED发光颜色与亮度由磊晶材料决定,且磊晶占LED制造成本70%左右,对LED产业极为重要。上游磊晶制程顺序为:单芯片(III-V族基板)、结构设计、结晶成长、材料特性/厚度测量。中游厂商就是将这些芯片加以切割,形成为上万个晶粒。依照芯片的大小,可以切割为二万到四万个晶粒。这些晶粒长得像沙滩上
26、的沙子一样,通常用特殊胶带固定之后,再送到下游厂商作封装处理。中游晶粒制程顺序为:磊芯片、金属膜蒸镀、光罩、蚀刻、热处理、切割、崩裂、测量。而,下游封装顺序为:晶粒、固晶、粘着、打线、树脂封装、长烤、镀锡、剪脚、测试。国内主要的LED生产厂商有:鼎元、光磊、国联、亿光等企业。红外线发光二极管红外线Light Emitting Diode。主要以GaAs系列材料发展为主,通常以LPE液相磊晶法的方法制作,发光波长从850940不等。GaP磷化镓。磷化镓,是-族(三五族)元素化合的化合物。GaP是一种间接迁移型半导体,具有低电流、高效率的发光特性,可发光范围函盖红色至黄绿色,为LED主要使用材料之
27、一。GaN氮化镓。氮化镓,是-族元素化合的化合物。GaN使MOVPE制作技术,可制作高亮度纯蓝光LED及纯绿光LED,更可应用于蓝光、绿光雷射二极管之制作。MOVPE虽已是一成熟的磊晶制作技术,但以此技术制作GaN蓝光LED其中仍须相当的专业知识、经验和技巧AlInGaP磷化铝铟镓。AlInGaP此材料是近年来用在高亮度LED之制造上较新的材料,使用MOVPE磊晶法制程。目前世界上仅有三家厂商供应此产品的公司,即美国HP、日本Toshiba、台湾国联光电。AlGaAs砷化铝镓。为GaAs和AlAs的混晶。AlGaAs适合于制造高亮度红光及红外线LED,主要以LPE磊晶法量产,但因需制作AlGa
28、As基板,技术难度高。反向粘着型薄芯片LEDreverse mounting type 薄芯片LED。此种芯片可粘着在穿式印刷电路板上,减少LED所占的厚度。主要可用作可携式电话按键之背光源。侧面发光直角LED此种LED芯片是从最上层面发光,但可将发光面旋转一个面焊接。侧面发光直角LED有超小型和高亮度两种,超小型是用于LCD背光源、呼叫器、行动电话;高亮度型是用作汽、机车第三剎车灯和户外显示器。直角表面粘着型LED灯泡SIDELED。直角表面粘着型LED灯泡不需额外的光学件或反射器,焊接后光线的行径路线可与各电路板平行,使工程人员在设计时有较大的弹性,因而可在设计的后段再加上此产品,而不需事
29、先考虑。产品可应用在自动安全断电开关、背光源和光导管等,用作电话和数据处理系统的指示灯。可见光LED可见光Light Emitting Diode。LED(发光二极管)的种类繁多,依发光波长大致分为可见光与不可见光两类。可见光LED产品主要包括传统LED、高亮度AlGaInP(磷化铝镓铟)红、黄、橘光 LED及InGaN(氮化铟镓)蓝、绿光LED、以及白光LED。其产品以显示用途为主,又以亮度一烛光(1 cd)作为一般LED和高亮度LED之分界点。一般LED广泛应用于各种室内显示用途;高亮度LED后者则适合于户外显示,如汽车第三煞车灯、户外信息看板和交通号志等。不可见光LED不可见光Light
30、 Emitting Diode。LED(发光二极管)的种类繁多,依发光波长大致分为可见光与不可见光两类。不可见光LED,波长850至1550奈米,其短波长红外光可作为红外线无线通讯使用,如红外线LED应用在影印纸张尺寸检知、家电用品遥控器、工厂自动检测、自动门、自动冲水装置控制等;长波长红外光,则应用在中、短距离光纤通讯上,作为光通讯用光源。GaN LED氮化镓发光二极管。GaN LED是属于直接能隙之半导体材料, 其能隙为3.4ev, 而AlN为6.3ev, InN为2.0ev,将这几种材料做成混晶时,可以将能隙从2.0ev连续改变到6.3ev,因此可以获得从紫外线、紫光、蓝光、绿光到黄光等
31、范围的颜色。目前最成功的GaN组件有高亮度蓝光及绿光LED,因GaN高亮度蓝光、绿光LED的开发成功,使得户外全彩LED显示器及LED交通号志得以实现,各种 LED的应用也更加广泛。以高亮度蓝光LED激发萤光物质(phospher)可以产生白光,其低耗电及高寿命的特性,未来有可能取代一般照明用的白炽灯泡,GaN LED的市场潜力十分雄厚。OLEDOELD。Organic Electro-Luminescence Display。有机电激发光。透过电流驱动有机薄膜来发光,其发光可为单独的之红色、蓝色、绿色,甚至是全彩。由于OLED所使用的有机化合物材料会自行发光,因此不像LCD面板后方须要加上背
32、光源,可以大幅降低耗电、简化制程、使面板厚度变薄。OLED的特点为具有自发光、广视角、响应速度快、低耗电量、对比强、亮度高、厚度薄、可全彩化,及动画显示等,被认为是极具潜力的平面显示技术。国内目前有铼宝、光磊、东元激光、翰立光电等厂商投入。室内用LED显示看板LED显示看板不管尺寸大小,都是由单一组件的LED加以拼装而成,LED的单一组件,来自下游封装好的点矩阵式的LED,或是单位模块 Cluster,再由显示看板的厂商将这些单一组件,依照各种不同的需求,组装成各种大型的看板,加上控制电路,然后到各施工地点安装测试。室内用的LED 显示看板,因观看的距离近,所以要求的分辨率较高,一般是使用点矩阵式模块,因室内的
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