1、LED照明業界群雄并起，逐鹿全球市場 作者：日經BP社 吉田勝    來源：電子設計應用隨著人們環保意識的提高，以及LED性能的改進和成本的降低，實現以LED為主的照明時代已不再是紙上談兵。2009年，LED照明市場更是明顯繁榮起來。 面對即將到來的普及期，在老牌照明廠商千方百計搶占LED照明市場份額的同時，許多其它行業的廠商也紛紛挺進LED照明市場，希望能夠把握這一商機。這些新加入的后發企業對照明市場上的老牌廠商發起了強大的攻勢，其力量不容忽視，比如，在夏普公司推出低價產品之后，LED燈泡的價格就一路下跌。面對這種現狀，老牌廠商以其豐富的產品線為武器，

2、正面迎擊新興勢力。 新舊廠商群雄并起、攻防激烈，LED照明已經迎來了戰國時代。 低價產品撼動市場 競爭漸入白熱化 繼2009年3月推出第一款4.3WLED燈泡之后，東芝照明技術公司于今年7月又推出一款全新的LED燈泡，售價僅為之前產品的一半。在夏普公司低價產品的競爭壓力下，東芝別無選擇。 驚人的價格 2007年12月，東芝照明技術公司推出一款小型反射燈泡型LED照明產品，采用E26燈頭，亮度相當于40W白熾燈。2008年8月，該公司又推出亮度相當于60W白熾燈的LED照明產品。不過，為了滿足電源電路以及熱輻射表面積等的需求，這兩款產品的外形尺寸都比較大，應用范圍也受到了一定的限制。 2009年

3、3月，東芝照明技術發布了一款4.3W的LED燈泡，亮度相當于40W白熾燈，廠商建議零售價(MSRP)為10500日元(100日元約合7.63元人民幣)，市場價格約為8000日元。這款LED燈泡的外形和亮度與普通白熾燈泡別無二致，它的推出標志著LED燈泡的革命性進步，之前的亮度不夠和應用受限的問題均得到解決。 2008年，夏普公司以低價策略進軍LED照明市場。2009年6月，該公司發布了一款全新的LED燈泡，其市場價格約4000日元，僅為同類競爭產品的一半，推出后立即在市場上掀起了一股強勁的沖擊波。夏普公司的這款低價產品迫使東芝照明技術于2009年7月推出亮度相當于60W白熾燈的LED燈泡，其廠

4、商建議零售價約為5000日元，市場價格約為4000日元。與4個月前東芝推出的同類產品相比，價格大幅下降了50%(見圖1和表1)。 在LED照明市場上，其它日本公司也緊隨其后。2009年7月，Ecorica大幅下調了公司于同年4月推出的LED燈泡的價格，從原先的7200日元下調到3780日元；IRISOHYAMA公司也推出了售價3980日元的產品。NEC照明于2009年8月發布了一款L ED燈泡，新聞稿中稱其價格具有較強的市場競爭力。10月下旬，松下公司也推出10款與競爭產品同等價位的EVERLEDS系列LED燈泡產品。 圖1 LED燈泡價格下降夏普采取低價策略的目的是希望能夠盡快在LED照明市

5、場立足。公司解釋說：“夏普是LED照明市場的后來者，所以我們選擇了這樣一種戰略價格。”顯而易見，夏普是將市場份額而不是利潤作為最優先考慮的因素。 燈具市場未來4年將擴大4倍 目前，日本LED照明市場諸侯紛爭，其中包括老牌廠商、新興勢力以及海外公司等。他們都對未來幾年LED照明市場的前景充滿了信心。根據日本市調機構富士經濟(Fuji Keizai)的報告，2008年2012年，日本LED照明市場至少將擴大4倍：盡管同期日本照明市場的整體增長率僅為8.6%，但其中LED照明的市場規模將會從133億日元增加到578億日元，到2010年將占整體照明市場的12%(見圖2)。2006年以來，全球白光LED

6、照明市場的年增長率約為50%，2009年市場規模已經達到1600億日元。未來幾年，該市場將會加速成長，預計2012年的市場規模將增至2009年的3倍(見圖3)。同時，白光LED在照明領域的應用也將大幅擴展，到2012年將占整個白光LED市場的20%以上。 圖2 日本LED照明燈具市場未來4年將增長至少4倍圖3 LED照明占全球市場的20%以上淘汰白熾燈在全球范圍內已是大勢所趨，并推動著LED照明市場的發展。日本經濟產業省與環境省已經要求2012年前停止白熾燈的生產與銷售，照明廠商正在予以合作，紛紛宣布停產日期。熒光燈是目前最常見的白熾燈替代品，但LED具有長壽命以及良好的色溫特性等優點，正日益

7、受到人們的青睞。 大公司紛紛搶占市場 由于用戶期望值較高，加之市場增長迅速，2008年以來，照明市場上的老牌公司紛紛推出LED照明新品。與此同時，許多在其它行業頗有建樹的大型公司也開始進入該市場。2008年9月，夏普推出低價的基礎照明和聚光照明LED產品，成為進入該市場的首批公司。2008年底，電子元器件廠商羅姆(ROHM)半導體公司推出LED聚光燈；2009年春天，該公司又與一家設計公司聯合開發出店面的基礎照明產品。大和房屋工業公司則聯合京瓷及NABESHO等公司開發出用于商業設施的LED基礎照明燈具。 此外，飛利浦照明、歐司朗(OSRAM)等日本海外的領先照明廠商也都期望通過開發LED照明

8、新品來擴大市場份額。飛利浦照明公司不僅推出了通用LED照明燈具，還推出了LED聚光燈、間接照明及其它特種照明燈具。 追趕熒光照明 為什么這么多其它行業的公司不約而同地進入LED照明市場？為什么LED照明市場如此活躍？其主要原因在于，隨著LED發光效率的不斷提高和價格的持續下降，再加上困擾LED照明的其它問題有所突破，目前LED照明在某些方面已經開始勝過熒光照明。松下電工照明業務本部LED元件開發中心部長大利富夫表示，LED將會在2012年左右成功超越熒光照明。 首先，對LED封裝進行分析可以看出，LED的發光效率正在穩步提高。根據日本LED協會(JLEDS)于2008年公布的技術開發藍圖，20

9、09年高效LED日光管的發光效率將達到120lm/W，2015年發光效率將超過150lm/W。業界還有人認為該目標可以提前12年實現。飛利浦流明(Philips Lumileds Lighting)公司日本地區副總裁山田范秀指出：“今后23年內，我們將推出發光效率高達150lm/W的LED產品。”日亞化學工業公司副社長兼首席運營官田崎登也表示：“我們早就實現了120lm/W130lm/W的發光效率，發光效率高達150lm/W的產品也已量產。” 通常，電源損耗、熱效應及其它因素會使照明燈具的整體發光效率下降到LED封裝本身的發光效率的30%50%，即50lm/W70lm/W。不過，最近許多廠商都

10、推出了整體發光效率高于80lm/W的產品。盡管還比不上發光效率接近100lm/W的高頻熒光燈管，但LED發光效率的提高還是非常迅速的。 比如，2008年上市的小型反射型LED燈泡的整體發光效率僅為68lm/W(白光)，而東芝照明技術公司2009年中推出的新型LED燈泡的整體發光效率達到了81.9lm/W(見4202億日元表1)。也就是說，在短短一年時間內，LED照明燈具的發光效率就提高了20%。如果以這種速度繼續向前發展，那么，20112012年，LED產品的整體發光效率就將能夠超過100lm/W。 另一方面，LED的價格也正在大幅下降。在某些情況下，LED照明的整體成本(照明燈具加上電費)已

11、經優于熒光燈解決方案。對于亮度相當于60W的LED燈泡而言，40000小時壽命周期的總成本約為10000日元；同樣是40000小時照明，使用白熾燈時，由于每個燈泡的壽命只有1000小時，則其總成本將超過50000日元；使用熒光燈泡時，其成本約為16000日元(見圖4)。當累計照明時間超過14000小時，LED燈泡的整體成本就將優于熒光燈泡。可見，LED照明具有長期成本優勢。 圖4 三種照明器具的整體成本據日本LED協會估計：到2012年左右，LED每單位亮度的成本將下降到每流明1日元這是進入實用化的關鍵目標。實際上，這個日期將有可能大幅提前。日亞化學工業公司的田崎登解釋說：“目前，LED照明價

12、格每年的下降幅度都在20%以上，我認為今后的價格下降速度不會放緩。” 廠商將逐步停止生產和銷售白熾燈，LED燈具的發光效率將超過熒光燈，每流明1日元的實用化目標將會實現綜合考慮這些因素可以得出一個結論：到2012年，LED照明將大量普及。新、老照明廠商正竭力研制全新的LED照明品，迎接未來3年大幅增長的市場機遇。 技術創新打造質優價廉的LED 開啟實用之門 目前，LED照明的價格是傳統照明的幾倍到幾十倍，對于公司和普通消費者來說，門檻較高。這些產品的價格之所以高，主要是因為其關鍵組件LED芯片/封裝的成本較高。此外，外圍電路(如電源及外殼)的成本控制也非常重要。 在亮度方面，LED燈具的整體發

13、光效率仍不如高頻熒光燈管，LED芯片廠商正通過芯片與封裝架構、材料等方面的創新來提高發光效率。較高的發光效率不僅能降低封裝成本，而且還可以減少發熱。此外，散熱性能也是至關重要的因素。如果LED封裝內產生的熱量可以得到高效釋放，那么就可以延長LED的壽命，并提高其發光效率。 簡單而便宜 普及LED照明的最大障礙就是價格。普通消費者及LED燈泡批發商要求降價的愿望非常強烈。下面將以東芝照明技術公司的LED燈泡為例分析如何降低成本。 該公司的產品采用壓鑄鋁外殼，在外殼上方的金屬基板上安裝LED封裝，其上放置壓克力半圓球罩來散射光線。鋁殼內含有用于安裝電源電路板的樹脂殼(見圖5)。鋁殼外有16個散熱片

14、，用于耗散電源以及LED封裝產生的熱量。 圖5 LED燈泡的結構新舊兩款產品在外殼形狀上沒有太大差異，但新產品沒有涂層，直接采用裸露的鋁表面，而且省去了裝飾環，從而控制了成本。 兩者內部的電源電路則大不相同。在原來的產品中，樹脂殼中電源電路板的內側使用了填充劑；而在新產品中，由于電路板較大，就沒有使用填充劑。工程人員將與金屬基板接觸的表面做薄，以擴大電源空間。此外，對于電源電路板來說，利用酚醛紙取代玻璃環氧樹脂也可以降低成本。當然，較薄的外殼也有助于降低材料成本。 新舊產品的LED封裝都是由日亞化學工業公司生產的。舊款LED封裝包括6個并聯芯片，新款則只包括3個串聯芯片。這種設計上的變化減小了

15、電源電流，從而減少了電源發熱。 排列400個LED 羅姆半導體公司正致力于改進LED封裝，以降低成本。該公司的小型聚光燈采用由400個LED封裝組成的陣列，每個LED封裝的尺寸為1.6mm×0.8mm，輸出功率為0.1W。 最近，許多LED照明器件都采用1W以上的高亮度LED封裝，其趨勢是減少LED封裝的數量。不過，羅姆公司分立模塊生產總部照明分部部長四方秀明表示，該公司發現采用大量低亮度LED更便宜。 目前，通用的LED封裝已批量生產，而且價格非常便宜。另外，由于每個封裝內采用大量微型LED芯片，封裝特性的平均變化也可保持最小。此外，該公司正在開發其它類型的LED照明，包括燈泡、基

16、礎照明和線性照明。這些產品中采用的都是輸出功率0.5W、尺寸2mm×4mm的LED。LED燈泡中的LED數量超過70個，基礎照明和線性照明中的LED數量則在400個以上。 散熱技術促成更高的功率輸出 羅姆公司之所以能夠以較低的成本安裝這么多低亮度芯片，是因為他們能夠自己封裝，并利用公司現有設備進行安裝。為了降低采購、安裝等成本，許多其它廠商往往傾向于使用高亮度芯片。 采用高亮度芯片時， 熱源集中，因此散熱非常重要。日本Multi-Task公司服部壽提醒說：“23年內，業界將會達到自然散熱的極限。”對更亮照明的需求將會導致熱量輸出的不斷增加。 當LED變熱時，正向電壓和發光效率會下降，

17、使用壽命會縮短。高亮度封裝往往會產生很多熱量，需要昂貴的熱阻材料，從而進一步提高成本。換言之，熱輻射是影響LED發光效率、成本和壽命的關鍵因素。 隨著高亮度封裝的增加，越來越多的LED照明設計采用金屬基板，與此同時，確保這些基板具有足夠的散熱能力也日益困難。因此，業界提出了許多新的能夠高效散熱的基板結構。 日本電氣化學工業公司利用大和工業（Daiwa Kougyo）公司的有關技術開發出AGSP(Advanced Grade Solid-bump Process)基板技術，改進了散熱性能。該結構在絕緣樹脂中嵌入具有高導熱率的銅柱，使得LED產生的熱量能夠通過銅柱傳至封裝外部（見圖6）。只要散熱器

18、、外殼等彼此之間采用物理接觸，就能夠通過該方法實現高效散熱。電氣化學工業公司電子材料業務部長米村直己表示：“當LED燈具亮度相當于40W白熾燈時，金屬基板足以解決散熱問題；而當LED燈具亮度相當于100W白熾燈時，就需要采用AGSP基板技術。”銅柱的直徑約為4mm，足夠安裝LED芯片。 圖6 AGSP技術提供出色的散熱性能為了實現高熱導率，高亮度LED通常會在AlN(氮化鋁)基板上涂覆陶瓷和銀漿，但AlN的生產成本較高。雖然AGSP的散熱性能不如陶瓷基板，但其性價比較好。目前，電氣化學工業公司正在進行量產評估，其目標是在2010年實現全規模的商用化運作。 雖然AGSP基板相對便宜，但仍需進一步

19、降低成本，因為目前其成本仍是金屬基板的兩倍。公司希望能夠改進銅柱成型技術，并實現批量生產，從而將成本降低到與金屬基板相當的水平。 改進封裝結構 除了增強散熱性能外，提高發光效率的其它方法還包括改變芯片結構和封裝以及使用新材料等。 在照明應用中采用高亮度LED封裝的情況越來越多，有的是在單一封裝中集成多個微型芯片，有的只采用一個大型芯片。大型芯片中，從生成到發射的光通路較長，其中的衰減會降低發光效率。通過更改芯片結構，在基板上涂覆GaN(氮化鎵)層，這個問題最近已經得到解決。 歐司朗光電半導體公司開發出ThinGaN技術，可以使用激光器將藍寶石基板從GaN基芯片上剝離下來，再貼到鍺晶圓上。Thi

20、nGaNLED的光利用率較高，97%的光都能夠從芯片表面發射出來。 該公司還采用芯片級轉換(CLC)技術直接將熒光粉涂覆在芯片發射表面(見圖7)，這樣就可以從同一表面發射藍光和黃光。當與透鏡配合使用時，可以獲得很好的效果。 圖7 通過改進封裝結構來提高發光效率傳統的GaN基藍光LED從發射層側面發光。與透鏡配合時需要使用反射器，而反射會降低光的利用效率。此外，通常藍光只從芯片中發出，黃光則從含有熒光粉的密封樹脂中發出，這意味著藍、黃兩種顏色的光具有不同大小的光源，通常會導致色調發生變化。 2008年，歐司朗光電半導體公司推出新型Golden DRAGON Plus封裝技術，改進了密封樹脂的形狀

21、。公司采用透明的樹脂，并將其表面加工為凸透鏡的形狀(見圖7)。透鏡形狀的表面可以使樹脂-空氣界面的全反射最小，從而將樹脂層的光輸出提高10%15%。 便宜的納米刻蝕 日本SCIVAX公司通過利用納米印刷技術對芯片側壁及層間界面等進行刻蝕，提高了光輸出效率。該公司采用直徑僅數百納米的特殊模具對光線進行折射，以防止來自發射層的光線在空氣界面出現反射(見圖8)。 圖8 利用表面刻蝕技術提高亮度和發光效率納米刻蝕芯片表面的想法在幾年前就被提出，有些LED芯片廠商已經在采用該技術。SCIVAX公司副總裁奧田德路解釋了其能以低成本提高發光效率的原因：“傳統技術很難處理大面積晶圓，但利用納米印刷技術后，處理單一LED晶圓的成本即可降至僅幾百日元。” 首先將樹脂旋轉涂覆在LED晶圓的p型GaN層表面，然后將帶有凹凸圖案的硅模片壓在樹脂上，再利用離子刻蝕從p型GaN上剝離GaN，以顯示出凹凸圖案。圖案中微細孔洞的深度和直徑約為200nm，需要進行優化以匹配具體特性(如光波長及芯片成分)。 仿真結果表明： 該技術可以使LED芯片發光亮度提高20%30%。此外，在發光層形成以前，也可以將該工藝用于藍寶