国内超高亮与白光LED产业解析

中国光学光电子行业协会光电器件分会秘书长 彭万华
 
　　超高亮与白光LED产业链处于起步阶段
　　超高亮度及白光LED行业，近几年来发展非常迅速，无论在技术上或产品产业化方面，均已有很大突破。据报道现已做出发光效率达120lm/w的白光LED，超高亮度LED市场2001年为12亿美元，2002年市场约为16亿美元，世界主要发达国家及相关大公司均已投入大量资金和人力，力争在近几年内实现半导体白光照明产业化。国内LED行业也正处于高速发展阶段，随着我国改革开放政策的进一步实施，来华投资LED的公司愈来愈多，这将对我国LED产业发展起到积极的推动作用，我们要很好地利用这些有利条件。经过几年的发展，中国有可能成为世界LED产业的基地之一。
　　国内LED产业的发展从20世纪70年代开始，早期由中科院长春物理所、厦门大学物理系、中国电子科技集团公司第13所、浙江大学等几个高校、研究所开展研究工作，当时原电子工业部重点扶植七四六厂(南昌)、苏州半导体厂和长春半导体厂等几个重点企业。这些单位主要以Gap、GaAlAs材料为主，开展气相、液相外延生长，芯片制造和后工序环氧封装，他们做出了以Gap为主的红、橙、黄、绿色LED，并开发出GaAlAs高亮度红、橙色LED。在应用上开展各种显示器的研发，能基本满足国内仪器仪表、设备和各种显示器的要求，特别在屏幕显示方面，做了很多拓展应用的工作，开发各种大、中、小屏幕显示器，这些产品能满足各种不同要求的屏幕显示用途，并逐步形成一支强大的队伍。在红外LED方面，有中电科技集团公司第13所、上海冶金所、中国电子科技集团公司第44所等单位进行研究开发，主要是以GaAs和GaAlAs材料为主，开发出多种近红外LED，并取得很多研究成果，均已达到产业化水平。
　　经过十几年的努力，到目前已形成年产30亿只普通LED芯片的能力(主要是南昌欣磊公司)，并在后工序封装、LED应用以及配套等方面形成普通LED产品的产业链。从20世纪90年代开始，由于AlGaInp红、橙、黄色超高亮度LED及GaN基蓝光LED的出现，国内更多的高校、研究所加入研究开发的行列，特别是近几年有很多有实力的企业投入超高亮度及白光LED行业，逐步形成现在的发展状况。据初步了解，国内从事LED产业的单位超过400家(外商除外)，从业人员超过5万人，其中技术人员超过5000人。2002年LED产量超过150亿只，产值超过80亿元；2003年LED产值超过100亿元，产量约200亿只，其中超高亮度LED有几十亿只。近几年LED的发展速度超过30%，其中超高亮度LED的发展速度超过50%。
　　自中国改革开放以来，境外不少LED企业投资我国，初步估计这些与LED相关的企业已超过100家，对我国LED产业的发展起了很大的推动作用。他们的加入也使这一行业的竞争更为激烈，从而加快了LED产业的发展进程。随着中国改革开放政策的进一步实施，世界LED产业的制造部分，有可能在今后若干年内大量投资我国，尤其是日本、韩国等国家和地区，大举投资我国LED产业的可能性更大，加上我国LED产业的自身快速发展，我国有可能成为世界LED产业的主要基地之一。
　　超高亮度LED主要指AlGaInp的红、橙、黄色LED，GaN基蓝、绿、紫和紫外光LED，在20世纪90年代，我国部分高校及研究机构已投入这些领域进行研究、开发，并与企业合作，开展产业化工作，取得了可喜的成绩。到目前为止，国内四元系AlGaInp的红、橙、黄色芯片已经可以批量生产，估计每年可提供8亿～10亿只，GaN基蓝、绿色芯片已可以小批量生产，估计每年可提供3亿只左右，白光LED(小功率)封装产品已批量生产，芯片以进口为主，估计年产约为5亿～8亿只。
　　超高亮与白光LED前工序取得初步进展
　　20世纪90年代，国际上对四元系AlGaInp和GaN基的研究获得了超高亮度LED，与此同时，我国部分大学及研究机构也投入该领域进行研究和开发。在高校、研究所和企业之间，合作形式有产学研结合，也有转让科技成果。经过多年的努力，取得很多可喜的成果。
　　四元系AlGaInp超高亮度LED
　　早期投入研究开发的有13所、山东大学、中科院半导体所等单位，主要在材料外延方面取得突破，并同时研发红、橙、黄色超高亮度LED芯片，现已通过相关部门的鉴定，并与企业合作开展产业化工作。接着，山东华光光电子公司、13所、厦门三安公司在材料外延和芯片制造的产业化方面都取得进展，能批量提供红、橙、黄色超高亮度LED外延片和芯片。在芯片制造方面，还有上海大晨公司、南昌欣磊公司和深圳普光公司等多家企业均能够批量提供超高亮度AlGaInp红、橙、黄色LED芯片。
　　就目前国内能提供的四元系AlGaInp红、橙、黄色LED芯片来看，总产量太少，还远不能满足市场的需求，目前这几种芯片大部分还是依靠进口。此外，国内企业还无法提供发射功率较大的高档次芯片，而芯片参数的一致性、抗光衰、可靠性指标等有待进一步提高。
　　GaN基蓝、绿色LED
　　在GaN基蓝、绿色LED方面，早期投入研究、开发的有北京大学、清华大学、南昌大学、中科院半导体所、物理所等单位。由于这些高校、研究机构的条件较好，高级人才相对集中，经过他们的努力，都分别研制出GaN基蓝光LED芯片，有的单位还研制出GaN基绿色、紫外LED芯片，而且通过了相关部门的鉴定。接着这些研究机构与企业结合或转让科研成果，逐步进行产业化。北大与上海有关方面合作成立了上海北大蓝光公司，清华大学与山东有关方面合作成立山东英克莱公司，物理所与有关单位合作成立上海蓝宝公司，半导体所、南昌大学分别把科研成果有偿转让给深圳方大公司，厦门三安公司与美国某公司谈判合作事宜，大连路明科技公司与美国AXT公司合作成立新公司。
　　一些单位在上述基础上还开发了白光LED，都取得很好的研究成果。这些企业目前均能小批量提供GaN基蓝、绿色LED芯片，他们正在逐步解决蓝、绿LED产业化过程中所出现的各种技术、工艺和管理问题。另外，他们均在寻找合作对象，希望增加资金投入，扩大产业化规模。相信他们将很快批量提供蓝、绿色和紫外光LED芯片，为我国白光照明事业做出贡献。
　　目前，国内GaN基蓝、绿色LED仍然存在以下问题：芯片未能批量提供，大功率芯片尚未突破，芯片的参数一致性、抗光衰和可靠性指标等有待进一步提高。
　　基础研究开发
　　除了上述提到的那些单位之外，还有很多单位对Ⅲ-Ⅴ族半导体化合物材料做了不少基础研究工作，如南京大学、华南师范大学、复旦大学、浙江大学、厦门大学、西安交大、中国电子科技集团公司第55所等单位都做出很多成果并发表很多论文，有的申请了专利，这将对AlGaInp和GaN基的超高亮度LED发展起到很大的推动作用。另据了解，目前有6个到8个单位，即高校、研究所及合作企业，在开展大功率LED芯片的研发工作，他们开发的内容包括功率为1瓦到几瓦的LED器件，倒装芯片及封装技术等，而且将在近期内做出样品，这将加速白光照明的发展。
　　超高亮及白光LED后工序有发展潜力
　　国内LED产品的后工序封装能力应该说是很强的。据初步了解，国内有LED封装厂300家以上，其中很多厂家为私营企业，规模较小，分布相对集中，例如，在珠江三角洲一带，LED封装厂就超过100家，整体封装能力每年超过200亿只。国内超高亮度及白光LED，2003年封装数量估计为50亿只左右，其增长率超过50%，LED加工出口的量也很多，每年至少有几十亿只出口。
　　后工序封装情况
　　国内LED封装的能力较强，封装的品种也较全，可封装各种外形尺寸和不同颜色的LED显示器件，包含各种单管、复合管、数码显示器、专用显示器、背光源和SMD器件等。大部分企业均可封装AlGaInp超高亮度红、橙、黄色LED，而对需要一定投入和技术支持的GaN基蓝、绿色及白光LED，只有部分实力较强的企业可以封装，总体来说，白光LED的封装技术有待提高。
　　从封装企业的规模来看，很多封装企业投资较少，规模偏小，以手工设备为主。封装LED的质量和一致性较差。具有一定实力的后工序封装企业，投资较多，具有一定规模，一般都配备全自动装片机、全自动压焊机、全自动封装设备、全自动测试设备，还有几家已配备SMD全套自动封装设备，这些企业封装出来的LED产品的质量、一致性和可靠性很高，是国内封装企业的主力。
　　国内实力较强的企业主要包括：佛山光电、厦门华联、宁波爱米达、惠州华岗、江西联创、天津天星和江苏稳润等。另据了解，已有部分有实力的企业正在开展功率LED和白光LED封装的研发工作，并取得了一定的成果。这将为LED白光照明产业的发展起到推动作用。
　　LED封装的配套件
　　国内为LED封装的各种配套能力也是很强的，这里指的是主要原材料和配套件，如金丝、硅铝丝、环氧树脂、银浆、支架、条带、电镀、塑料框架和各种塑料件、封装模具、各种金属件及工夹具等。据了解，这些配套企业已超过200家，主要分布在珠江三角洲和浙江省宁波市及其周边地区。
　　荧光粉
　　白光LED目前主要材料还有荧光粉，有用蓝光激发的黄、绿色荧光粉、红色及绿色荧光粉，还有用紫外光激发的三基色荧光粉。虽然目前广东、浙江有几个企业也在提供，但其性能和使用寿命有待提高。国内有些有实力的企业，如厦门通士达公司正在努力研发相应的产品，中科院长春物理所、北京有色院、北京大学化学系均对荧光粉做了很多工作，相信经过他们的努力一定会出现性能更好的荧光粉，为LED白光照明产业化做出贡献。
　　超高亮及白光LED封装存在的问题
　　超高亮及白光LED封装存在3个主要问题，其一，封装企业数偏多，企业规模偏小，几个有一定实力的企业，年封装能力也只有2亿～4亿只。而只有年封装能力达到每年10亿只以上，才能参与国际市场竞争。其二，目前超高亮度LED芯片主要依靠进口，高档次、性能较好的芯片很难购进。大功率LED封装刚处于开发阶段，主要是苦于没有大功率LED芯片，很难在封装上有所突破。其三，对于封装白光LED来说，目前几种荧光粉性能有待尽快提高。
　　超高亮度及白光LED热点应用领域
　　由于超高亮度LED具有非常广泛的用途，特别是蓝光LED的出现，给应用面带来更丰富的内容。目前国内有几百个单位在开发、生产超高亮度LED的各种应用，热点应用主要包括以下几个主要方面：
　　大、中、小屏幕显示器：各种广告牌、体育记分牌、金融和交通指示牌等，分为全色、三色、单色显示屏，全国共有100多个单位在开发生产，现已成立LED显示屏分会，2002年全国市场超过20亿元，几乎全部采用国产显示屏。
　　汽车用灯：包含汽车内部的仪表板、音响指示灯、开关的背光源、阅读灯和外部的刹车灯、尾灯、侧灯、头灯等均在逐步采用LED显示。据报道，2001年全世界超高亮度LED在汽车上的用量占26%的份额，一部汽车可用LED芯片(或管子)200只到300只，我国汽车工业正处于大发展时期，是推广超高亮度LED的极好时机。
　　背光源：主要是液晶LCD显示器上用的背光源，有白色和其他各种颜色，现阶段手机背光源用量非常大，一年要用35亿只LED芯片。据报道，全世界2001年超高亮度LED在背光源上的用量占30%的份额。目前我国手机生产量很大，而且大部分LED背光源还是进口的，对于我国LED产品来说，这也是个极好的市场机会。
　　交通信号灯：主要用超高亮度红、绿、黄色LED，因为采用LED信号灯既节能，可靠性又高，所以在全国范围内，交通信号灯正在逐步更新换代，而且推广的速度很快，市场需求量很大，是个很好的市场机会。
　　景观照明、装饰灯及各种专用显示器：市场用量很大，估计每年用量为几十亿只芯片。
　　白光照明：已开始从小功率白光LED灯用起，如安全照明灯、显微镜灯、白光背光源、手电筒、特种白光照明等，并逐步向白光照明迈进。
　　这里要指出的是在超高亮度及白光LED应用方面要抓住北京2008年奥运会相关照明显示工程中LED的项目，这是个推动LED照明业发展的极好机会。另外，只有加快在超高亮度及白光LED这个领域的推广应用，才能给该领域的发展打下坚实的基础，才能加快发展的速度，为早日实现白光照明产业化提供保证。
　　全球2008年LED销售额将逾56亿美元
　　行业分析机构CIR的研究报告预测，全球发光二极管的市场销售额将从2004年的32亿美元增至2008年的56亿美元。
　　CIR的报告称，在2004年到2008年，高亮度发光二极管(HB-LED)或基于半导体的灯具的市场销售额将由16亿美元增至26.4亿美元；而超高亮度发光二极管(UHB-LED)的市场销售额则会从2006年起实现快速增长，并将于2008年赢得全球市场份额的22%。
　　普通灯具将成为主要应用产品，并将于2008年实现销售额8.44亿美元。
　　CIR指出，从2004年起，发光二极管的成本将开始急速下降。成本下降将使销量迅猛增长，其中，标准的和用于显示器的发光二极管将占这类产品出货的大部分。但是，2008年，高亮度发光二极管和超高亮度发光二极管将占发光二极管营收的绝大部分。