半导体照明产业

1、半导体照明产业简明读本一、产业概念半导体照明也称固态照明或LED照明，是基于新兴固态冷光源LED（发光二极管“Light Emitting Diode”的英文缩写）的照明技术。以半导体照明为主体的产业称为半导体照明产业（亦称LED产业），产业链主要包括四个部分：LED外延片生长、芯片制造、器件封装和产品应用，此外还包括相关配套产业。LED产业具有典型的不均衡产业链结构，一般按照原材料与衬底、外延与芯片和器件封装分为上、中、下游，虽然产业环节不多，但其涉及的技术领域广泛，技术工艺多样化，上下游之间的差异巨大，上游环节进入壁垒大大高于下游环节。上游和中游是典型的技术或资本密集的“三高”产业：高难度

2、、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、对技术和设备的依赖极强，而处于产业链下游的封装和应用环节壁垒较低，属于劳动密集型产业。LED的制作流程包括上游的单晶片衬底制作、外延晶片生长，中游的芯片、电极制作、切割和测试分选，以及下游的产品封装。上游外延工艺：在外延炉（目前普遍采用MOCVD设备）高温高压无氧环境下，有机金属（MO源）和氢化物分解成原子有序地淀积在晶片的表面，成为外延层。上游外延制造附加值最高。中游芯片工艺：中游厂商根据LED元件结构的需要，先进行金属蒸镀，然后在外延晶片上光罩蚀刻及热处理而制作LED两端的金属电极，接着将衬底磨薄、抛光后切割为细小的LED芯片，由

3、于衬底较脆且机械加工性差，芯片切割过程的成品率为中游制作阶段的重点。中游的最后一步是测试分选。下游封装工艺：下游是把从中游来的芯片粘贴并焊接导线架，经由测试、封胶，然后封装成各种不同的产品。LED的应用领域非常广泛，目前可大体区分为背光源、照明、电子设备、显示屏、汽车等五大领域，并不断有新型应用领域出现。二、发展意义半导体发光二极管（LED）作为第三代光源，具有很多优点：（1）光效率高：效率可以达到80%-90%，而光效差不多的白炽灯可见光效率仅为10%-20%。（2）光线质量高：由于光谱中没有紫外线和红外线，故没有热量，没有辐射，属于典型的绿色照明光源。（3）能耗小：在同样亮度下耗电量仅为普

4、通白炽灯的1/8。（4）寿命长：光通量衰减到70%的标准寿命是10万小时，一个LED灯正常情况下可以使用50年。（5）可靠耐用：没有钨丝、玻壳等容易损坏的部件，非正常报废率很小，维护费用极为低廉。（6）应用灵活：体积小，可以平面封装，可做成点、线、面各种形式的具体应用产品。（7）安全：单位工作电压大致在1.5-5v之间，工作电流在20-70mA之间。（8）绿色环保：废弃物可回收，没有污染，不像荧光灯一样含有汞成分。（9）响应时间短：适应频繁开关以及高频运作的场合。近年来，全球性的能源短缺和环境污染问题日益突出，全世界各个国家都迫切希望应用节能环保的新技术。半导体照明以其技术的先进性和产品应用的

5、广泛性，被公认为是21 世纪最具发展前景的高技术领域之一。未来几年全球可能形成超过1000亿美元的半导体照明应用市场，可望成为另一个兆元产业。三、产业发展现状（一）国际产业发展现状近年来，半导体照明产业发展迅速，美国、欧洲和亚洲各个国家和地区纷纷积极实施半导体照明发展计划，甚至将半导体照明产业上升至国家战略高度进行系统部署，如美国“半导体照明国家研究项目”、“固态照明（SSL）研究和发展计划”，欧洲“彩虹计划”，日本“21世纪照明”计划，韩国“光电子产业分支-GaN半导体发光计划”。目前，LED产业在全球已形成一套完整的产业链，初步形成了以亚洲、北美、欧洲三大区域为中心的LED产业格局，呈现出

6、以日、美、德为产业龙头，中国台湾、韩国紧随其后，中国大陆、马来西亚等国家和地区积极跟进的梯队分布。其中，美日企业在外延片、芯片技术、设备方面具有垄断优势；欧洲企业在应用技术领域优势突出；我国台湾地区和大陆主要侧重发展封装和组装环节，产量占据世界第一，产值位居全球第二。全球LED 产业最大生产国是日本，约占据50%市场份额，其动向几乎是LED行业的指针。技术上，日本日亚（Nichia）、丰田合成（Toyoda Gosei、美国科锐（Cree）、飞利浦流明（Lumileds）和欧司朗（Orsam）五大巨头基本垄断了中上游外延片和芯片制造的核心技术，他们利用其在新产品和新技术领域中的创新优势，主要从

7、事高附加价值产品的生产，从而垄断了高端产品市场。这五大企业在技术与产品方面各具特色。日亚化学和丰田合成在LED发展中占有重要地位，都形成了LED完整的产业链，其中日亚化学1994年第一个生产出蓝光芯片，并在蓝宝石衬底技术路线专利技术方面具有垄断优势。美国科锐公司在碳化硅衬底技术路线上形成了LED完整的产业链，在专利技术方面具有垄断优势。美国飞利浦流明公司则专注于大功率LED的研发，在白光照明领域实力雄厚。德国欧司朗在薄膜芯片和荧光粉方面具有优势。从1999年到2009年，在美国申请的LED相关专利3312件中，日本位居首位，约占50%，美国第二，占30%，中国台湾第三，为11%。外延片生长是L

8、ED制造的关键技术，目前普遍采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）方法实现。全球MOCVD的主要制造厂家为德国的AIXTRON公司和美国的VEECO公司，前者约占60%-70%的国际市场份额，后者占据30%-40%，日本Nippon Sanso生产的设备基本限于日本国内销售。根据2010年调研数据显示，随着这两年LED上游外延芯片成本的大幅度下降，上游外延芯片、中游封装、下游应用已经形成了1:4:9的市场规模比例。以上游外延芯片50%，中游封装30%，下游应用20%的自身利润率计算，在整个LED产业链的利润分配中，LED上游外延芯片仅占14%，中游封装占34%，下游应用则占了52%，超过了一半

9、。（二）我国产业发展现状我国于2003年正式启动了“国家半导体照明工程”计划。2005年又启动了“半导体照明工程产业化技术开发”重大项目。2006年初，“高效节能、长寿命的半导体照明产品”的研发被列入国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006-2020）中的第一重点领域（能源）的第一优先主题（工业节能）。2009年，科技部在天津、石家庄等21个城市启动“十城万盏”半导体照明应用工程试点工作。2009年10月，国家发改委等6部门出台半导体节能产业发展意见。2010年9月，国务院常务会议审议并原则通过国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定，半导体照明材料成为新材料领域努力实现快速健康发展的战

10、略性新兴产业之一。经过近年快速发展，我国在LED外延材料、芯片制造、器件封装、荧光粉等方面均已显现具有自主技术产权的单元技术，部分核心技术具有原创性，初步形成了包括LED外延片生产、LED芯片生产、LED器件封装以及LED应用在内的完整的产业链。尤其在封装领域取得了大的发展与进步，生产的LED封装器件已能够满足如显示屏、光源模块、路灯、筒灯等半导体应用热点领域的国内需求，特别是直插式LED器件、SMD器件性能与国外差距很小，且这些封装结构专利逐渐失效，减少了国内企业进入国际市场的障碍。在产业集聚上已初步形成了珠江三角洲、长江三角洲、北方地区、闵三角地区四大区域，每一区域都形成了比较完整的产业链

11、，85%以上的LED企业分布在以上四大区域。同时国家半导体照明工程批准上海、厦门、大连、南昌、深圳、扬州和石家庄为7大产业化基地。2010年，我国成为全球半导体照明产业发展最快的区域，其中外延芯片和照明应用产品的发展最为突出，在国际半导体照明产业体系的地位和影响大大增强。2010年，在芯片市场供货偏紧和各地政策支持力度加大的背景下，我国外延芯片企业产能扩充迅速，MOCVD设备定货量占到全球设备订单的1/3。据统计，2010年我国已经到厂安装的GaNMOCVD超过270台，四元系MOCVD30台左右，MOCVD设备总数达到300台。全国40多家外延芯片企业在未来3年的设备购进计划超过1000台。

12、 2010年，我国芯片产值达到50亿元，较2009年的23亿实现倍增。2010年国产GaN芯片产能增加最为突出，较2009年增长150%，达到5600kk/月，实际年产量达到390亿只，国产率也提升到了65%。国产芯片的性能得到较大提升，在显示屏、景观照明、信号灯等市场领域已经占据主流地位，在照明、中小尺寸背光等应用领域也逐步获得认可。 2010年，我国LED封装产值达到250亿元，较2008年的204亿元增长23%；产量则由2009年的1056亿只增加到1335亿只，其中高亮LED产值达到230亿元，占LED总销售额的90%以上。从产品和企业结构来看，SMD和大功率LED封装增长较为明显，成

13、为LED封装的主要扩产方向。但就总量来看，SMD所占比例相比台湾地区仍然偏低。 表1 2010年度国内LED产量、芯片产量及芯片国产率种类LED产量（亿只）芯片产量（亿只）芯片国产率（%）GaN LED60039065%四元LED47527057%普亮LED26017065%合计133583062%图1 我国LED封装市场规模及增长率变化2010年，我国半导体照明应用的增长非常突出，应用领域的整体规模达到900亿元，整体增长率达到50%；其中，背光应用和通用照明应用的增长最为突出。基于LED在液晶电视等大尺寸背光领域展现强大的爆发力，LED背光行业高速增长，2010年我国LED背光产值的年增长

14、率达到167%，其市场渗透率不断攀升，LED背光液晶电视渗透率从2009年的2.3%上升到8.9%。随着中国城镇化进程的持续进行以及节能减排的迫切需求，LED照明产品的市场规模迅速扩大，2010年增长率达153%；LED等高效照明产品逐步替代白炽灯等低效照明产品已成为大势所趋。此外，LED在显示屏、景观照明、信号、指示等应用方面也继续保持了较高的增长速度。 表2 我国2010年半导体照明产值及增长率产业链环节2010年产值（亿元）2010年增长率2009年产值（亿元）外延芯片50117%23封装25023%204应用90050%600应用领域通用照明190153%75背光应用160167%60

15、景观照明21050%140显示屏15025%120信号及指示658%60汽车照明1525%12其他11062%68合计120045%827图2我国2010年半导体照明应用领域分布2010年，我国LED相关企业的资本运作加速，对产业的推动效果非常明显。4家公司在中小板、创业板及香港上市，多家上市公司针对半导体照明项目进行了增发融资，10多家公司已经进入上市准备阶段。2010年产业投资超过300亿元，资本成为产业发展的重要推动力。 2010年，我国半导体照明标准检测体系进一步完善，制定并公布了12项国标和10项行标；在检测平台的建设方面，我国已批准成立6家，3家国家级的半导体照明检测平台正在筹建；

16、地方共建立了20多家检测机构；2010年12月底，中国质量认证中心正式开始对半导体照明产品的节能认证工作。由于半导体照明技术正处于快速发展阶段，功能性照明产品尚未完全定型，缺乏规格化、标准化产品，同时LED的诸多特性不同于传统照明光源和灯具，检测方法和评价标准存在很大差异，我国半导体照明标准检测认证体系的总体组织协调仍需进一步加强。 预计2011-2012年，半导体照明仍将保持较高的发展速度，未来两年将成为中国半导体照明产业结构和格局调整完善的关键时期。期间，整个行业将进入一个机遇与挑战并存的全新阶段，巨大的产业发展机遇将伴随着更为激烈的市场竞争和格局调整，行业洗牌、企业整合将在所难免。三、发

17、展趋势未来几年，半导体照明技术将不断取得突破，应用领域不断拓宽，不仅应用于显示屏、指示灯、汽车照明等领域，LCD背光和通用照明市场正成为新的增长点。在背光源应用方面，LCD背光源应用快速发展，预计2015笔记本显示屏背光将达到100%，液晶电视背光将超过80%；在通用照明方面，室外道路、隧道照明，工矿、商业等室内照明开始起步，进入试点示范阶段，预计2014年，LED灯泡将占有50%的市场份额，2016年LED灯具将占有50%的市场份额。从整体上看，全球半导体照明产值有10年持续增长的可能，预计全球高亮LED产业规模年均增长率将超过20%。（一）技术发展趋势1、LED光效不断提高，成本不断降低。

18、提高LED光效，降低LED成本，使LED真正实现普及仍然是企业研发的重点。据调查，在原材料、封装、设计、芯片价格等可能降低成本的环节中，多数人普遍认为降低芯片价格是降低LED成本的最有效途径。以后，芯片的每流明瓦成本将进一步降低。此外，单位面积承受更高的电流密度也将是一个主要的趋势。与此同时，利用更大晶片生产出双倍的芯片，以降低成本，也将成为企业的研发重点。2、LED封装环节出现模块化趋势，传统直插全面向SMD大功率转移。封装模块化是将芯片、器件等组成模块，批量生产，通过模具制造出标准的LED光源产品，在LED照明的封装环节中会出现模组化的趋势。模块化可在保证质量的前提下大幅度降低成本，通过模

19、块化制造的终端产品通常具有明显的价格优势。目前，一些封装企业正积极进行封装模块化设计。相信，未来，封装模组化将成为LED封装业的主流。此外未来产品结构加速转型，传统直插产品正逐步向利润较好的SMD大功率转移。据不完全统计，目前国内前100名封装企业的SMD产能平均占到企业总产能的35-60%，超过30%的企业已经基本淘汰直插生产线。今后，传统直插生产线将进一步遭淘汰。3、LED驱动电路向高输出化发展，无电解电容与电解电容并存。越来越多的业内人士认识到，要充分发挥LED的潜能，照明驱动电源是关键的支撑因素之一。虽然LED节能环保寿命长，但在大规模应用时，往往出现电源寿命不匹配、可靠性不足等问题。

20、随着LED向高亮度化改善，LED驱动电路也逐渐开始向高输出化发展。在大多数LED应用中，对LED灯的使用寿命影响最大的器件就是去耦电容器。高温高可靠性的电容器会显著增加BOM的成本，因此减少电容的大小是增加电灯寿命及控制BOM成本的一个重要趋势和诉求。2010年，就有不少厂商纷纷推出无电解电容的LED照明方案。随着时间的推移，市场上的一些带有电解电容的驱动电源会有相继失效的现象，部分行业人士认为，无电解电容的驱动方案是一个必然的发展趋势。4、专利之争更激烈，专利纠纷向下游应用环节转移。LED产业的技术瓶颈高，学习门槛低，因此，设置专利屏障成为领先厂商规避竞争的主要手段，2010年起，有部分白光

21、LED领域的重要专利过期，因此，接下来或许会有一场激烈的专利之争。一方面是以日亚化学为核心的拥有关键专利的厂商尽一切手段利用专利保护排斥其它厂商，一方面是新的挑战者不断在技术上进行突破企图超越专利的控制范围。因此，这样一场在专利上的斗争实际上伴随着整个产业的长期发展。以前的专利大多集中在中上游领域，以蓝光外延、芯片领域、白光领域为主，随着产业的长期发展，专利纠纷渐渐向下游应用环节转移。（二）应用发展趋势在当前技术状态下，LED大规模进入普通照明尚需时日，但LED已广泛应用于景观照明市场、汽车市场、背光源市场、交通灯市场、户外大屏幕显示、特殊工作照明和军事运用等领域。近年来，LED也出现了一些新

22、的应用领域，主要包括：1、太阳能LED 光源：LED 是低压、直流供电，与太阳能光伏电池低压、直流供电的方式非常匹配，两者结合不需要交流逆变器，真正实现新能源与新光源的结合。太阳能半导体照明草坪灯、庭院灯、信号指示灯等已开始在国内的小区、园林建设、农村地区道路照明中使用。2、农业生产用人工光源：目前中国已开展半导体照明光源在植物组培中的应用研究工作，采用LED 光源的植物组培苗生长实验的第一批实验数据已经获得。随着实验的不断深入和数据的不断积累，将得到适宜于植物组培育苗和植物设施种植照明需要的优化参数和控制技术，研制出植物组培专用高效LED 光源系统和设施植物专用高效LED 光源系统。3、医疗

23、用光源：科学试验证实，LED 光源具有消炎、杀菌及诱导促进人体组织变化、影响人体生物节律等医疗效果，因此，迄今已有大量LED 光源治疗皮肤、视力、伤口以及美容等成功医疗案例。如利用LED 红光的消炎效用治疗皮肤溃疡与辅助伤口愈合：结合蓝光与红光并用治疗轻微至中度严重的青春痘：采用LED 红外光治疗关节炎、肌腱炎、背痛等：采用白色LED 光源内窥镜，再现了对象物的色彩，而且在内窥镜前端配备可击退人体内病原菌的近紫外LED。美国研发的以LED 进行光动力皮肤癌及脑肿瘤疗法的设备，已获得美国食品药品管理局（FDA）的批准进行人体临床实验。LED 光源在人体诊断与治疗方面存在广泛的应用，预计未来面向医

24、疗的LED 市场将会逐步扩大。4、航空用光源。LED 照明航空应用产品种类繁多，如航空灯、飞机内灯、飞机外灯、机场灯、障碍预警灯、闪灯、灯塔灯、跑道信号灯等。国际著名波音公司已经指定LED 照明系统用于全新的波音787 梦幻客机主舱，为旅客飞行提供更舒适休闲的航空旅行。此外，该系统由LED 的天花板灯具、侧墙灯具、入口灯、走廊灯以及重点照明灯组成，提供了较低的维护成本和较长的修理间隔等附加优势。四、思路和措施（一）美、日、韩产业发展模式分析1、美国半导体照明产业发展模式分析。美国 LED产业的发展主要是依靠其较成熟的市场体制、完善的技术创新体系以及强大的经济基础，通过掌握LED产业核心信息技术

25、来控制全球LED产业链的利润流向，占据技术领先者地位。该模式的主要特点如下： （1）选择科技创新作为产业突破口，成为产业技术领先者。自从二战以后，美国的研发体系基本上是以基础研究为核心的，即主要通过大量的基础研究从而创造或发现新知识，然后再将这些新知识应用到开发新的产品和制造方法上，产生技术创新。美国LED产业是典型的技术领先者发展模式，其产业技术研发主要集中在LED产业链上游，大多属于产业核心技术。作为技术领先者，美国可以通过所控制的核心技术，周期性提升芯片的性能，从而能够基本上控制全球LED产业的发展进程，同时也控制了整个市场的利润流向。（2）垂直整合度高，产业链完整。美国 LED企业在发

26、展初期，基本都是从LED产业中一个特定环节开始的，但很快就进入了垂直整合阶段，而且整合程度较高。在LED企业个体进行垂直整合的过程中，美国很多企业形成了包括“衬底外延芯片封装应用产品”的完整LED产业链。（3）在市场调节方面，自由竞争和垄断相结合。美国是一个以市场经济为主的国家，通常大都鼓励竞争，然而，在LED产业上，美国的市场集中度非常高。产业链上的每一个环节都由一家主要厂商把握着，从而领导着美国LED产业的整体发展趋势。（4）发达的资本市场。美国发达的资本市场为 LED产业注入了发展资金。以CREE公司为例，该公司由两个名不见经传的年轻人在1987年成立，到1993年就上市，产值从1994

27、年的5000万美元增长为2003年的3亿美元。（5）政府的支持是产业发展重要助推力。由于“固态照明市场的演变需要政府主动的赞助”，为此美国政府从宏观规划、技术研发、政府采购、协会支持等四方面对LED产业给予了强有利的支持。2、日本半导体照明产业发展模式分析。日本 LED产业的发展与美国非常类似，主要是采取技术领先的产业发展策略，通过专利权等方式设立壁垒；同时，通过技术垄断的优势获得超额利润，具体特点包括如下几点：（1）在完善的技术研发体系下实行技术领先战略。和美国一样，日本在 LED产业发展上也是实施技术领先型发展战略，而且也是以基础技术研发为重点。这与日本以前的通常做法有所区别，在历史上，日

28、本的国家技术研发体系一般以应用性开发为主。（2）产业链完整。日本 LED产业结构与美国相似，市场集中度非常高，都是由几家大型公司领导产业发展。（3）强大的政府支撑体系。日本政府一向以使用灵活有力的产业政策干预经济发展著称于世，在 LED产业方面也不例外。日本政府使用大量特定的技术创新政策鼓励、刺激产业技术的发展，其中主要是经济资助政策和组织协调政策。经济资助政策包括财政补贴、税收优惠和贷款优惠三大政策。3、韩国半导体照明产业发展模式分析。在高科技产业发展上，韩国模式的特点是注重发挥比较优势，善于抓住产业转移机遇，在引进和吸收的过程中，通过实施大公司战略，保护本国市场，推进国产化。同时，政府成立

29、专职机构进行管理、规划和指导产业发展，制定相关的产业和技术发展战略，并在政府协调下高效率进行。就 LED产业而言，产业发展模式可以归纳为以下几点： （1）政府主导下的大企业扩张。韩国政府一直在政府主导下推行大企业战略，通过政府与银行联手为企业提供资金培育大的企业集团。最终大企业集团不仅成为生产经营的主体，对外贸易的中坚，而且是技术开发、引进外资、信息情报收集的核心力量，并且垄断着韩国的各种产业部门，控制韩国的经济命脉。韩国目前上中游的技术大多都是由三星公司研发成功的。（2）采取产业集聚加速发展。韩国现任政府在高科技产业方面，通过“培育全球竞争力的企业群”来强化产业竞争力。例如，在韩国2000年的光产业发展计划中，政府提出利用区域集聚效应、国家扶持以及建立全球合作网络三种方式引导产业发展，并由政府拨款近一亿美元进行产业基地建设。（3）以应用拉动市场。韩国 LED产业能在短短的两、三年之內崛起，其内销市场的贡献