LED照明業(yè)界群雄并起

1、LED照明業(yè)界群雄并起，逐鹿全球市場 作者：日經(jīng)BP社 吉田勝    來源：電子設(shè)計應(yīng)用隨著人們環(huán)保意識的提高，以及LED性能的改進(jìn)和成本的降低，實(shí)現(xiàn)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(yè)的廠商也紛紛挺進(jìn)LED照明市場，希望能夠把握這一商機(jī)。這些新加入的后發(fā)企業(yè)對照明市場上的老牌廠商發(fā)起了強(qiáng)大的攻勢，其力量不容忽視，比如，在夏普公司推出低價產(chǎn)品之后，LED燈泡的價格就一路下跌。面對這種現(xiàn)狀，老牌廠商以其豐富的產(chǎn)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(jīng)迎來了戰(zhàn)國時代。 低價產(chǎn)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(shù)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(chǎn)品的一半。在夏普公司低價產(chǎn)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(shù)公司推出一款小型反射燈泡型LED照明產(chǎn)品，采用E26燈頭，亮度相當(dāng)于40W白熾燈。2008年8月，該公司又推出亮度相當(dāng)于60W白熾燈的LED照明產(chǎn)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(chǎn)品的外形尺寸都比較大，應(yīng)用范圍也受到了一定的限制。 2009年

3、3月，東芝照明技術(shù)發(fā)布了一款4.3W的LED燈泡，亮度相當(dāng)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(biāo)志著LED燈泡的革命性進(jìn)步，之前的亮度不夠和應(yīng)用受限的問題均得到解決。 2008年，夏普公司以低價策略進(jìn)軍LED照明市場。2009年6月，該公司發(fā)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(chǎn)品的一半，推出后立即在市場上掀起了一股強(qiáng)勁的沖擊波。夏普公司的這款低價產(chǎn)品迫使東芝照明技術(shù)于2009年7月推出亮度相當(dāng)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(chǎn)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(diào)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(diào)到3780日元；IRISOHYAMA公司也推出了售價3980日元的產(chǎn)品。NEC照明于2009年8月發(fā)布了一款L ED燈泡，新聞稿中稱其價格具有較強(qiáng)的市場競爭力。10月下旬，松下公司也推出10款與競爭產(chǎn)品同等價位的EVERLEDS系列LED燈泡產(chǎn)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(zhàn)略價格?！憋@而易見，夏普是將市場份額而不是利潤作為最優(yōu)先考慮的因素。 燈具市場未來4年將擴(kuò)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(jù)日本市調(diào)機(jī)構(gòu)富士經(jīng)濟(jì)(Fuji Keizai)的報告，2008年2012年，日本LED照明市場至少將擴(kuò)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(guī)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(guī)模已經(jīng)達(dá)到1600億日元。未來幾年，該市場將會加速成長，預(yù)計2012年的市場規(guī)模將增至2009年的3倍(見圖3)。同時，白光LED在照明領(lǐng)域的應(yīng)用也將大幅擴(kuò)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(nèi)已是大勢所趨，并推動著LED照明市場的發(fā)展。日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省與環(huán)境省已經(jīng)要求2012年前停止白熾燈的生產(chǎn)與銷售，照明廠商正在予以合作，紛紛宣布停產(chǎn)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(yōu)點(diǎn)，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(yè)頗有建樹的大型公司也開始進(jìn)入該市場。2008年9月，夏普推出低價的基礎(chǔ)照明和聚光照明LED產(chǎn)品，成為進(jìn)入該市場的首批公司。2008年底，電子元器件廠商羅姆(ROHM)半導(dǎo)體公司推出LED聚光燈；2009年春天，該公司又與一家設(shè)計公司聯(lián)合開發(fā)出店面的基礎(chǔ)照明產(chǎn)品。大和房屋工業(yè)公司則聯(lián)合京瓷及NABESHO等公司開發(fā)出用于商業(yè)設(shè)施的LED基礎(chǔ)照明燈具。 此外，飛利浦照明、歐司朗(OSRAM)等日本海外的領(lǐng)先照明廠商也都期望通過開發(fā)LED照明

8、新品來擴(kuò)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(yè)的公司不約而同地進(jìn)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(fā)光效率的不斷提高和價格的持續(xù)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(jīng)開始勝過熒光照明。松下電工照明業(yè)務(wù)本部LED元件開發(fā)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(jìn)行分析可以看出，LED的發(fā)光效率正在穩(wěn)步提高。根據(jù)日本LED協(xié)會(JLEDS)于2008年公布的技術(shù)開發(fā)藍(lán)圖，20

9、09年高效LED日光管的發(fā)光效率將達(dá)到120lm/W，2015年發(fā)光效率將超過150lm/W。業(yè)界還有人認(rèn)為該目標(biāo)可以提前12年實(shí)現(xiàn)。飛利浦流明(Philips Lumileds Lighting)公司日本地區(qū)副總裁山田范秀指出：“今后23年內(nèi)，我們將推出發(fā)光效率高達(dá)150lm/W的LED產(chǎn)品?！比諄喕瘜W(xué)工業(yè)公司副社長兼首席運(yùn)營官田崎登也表示：“我們早就實(shí)現(xiàn)了120lm/W130lm/W的發(fā)光效率，發(fā)光效率高達(dá)150lm/W的產(chǎn)品也已量產(chǎn)?！?通常，電源損耗、熱效應(yīng)及其它因素會使照明燈具的整體發(fā)光效率下降到LED封裝本身的發(fā)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(fā)光效率高于80lm/W的產(chǎn)品。盡管還比不上發(fā)光效率接近100lm/W的高頻熒光燈管，但LED發(fā)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(fā)光效率僅為68lm/W(白光)，而東芝照明技術(shù)公司2009年中推出的新型LED燈泡的整體發(fā)光效率達(dá)到了81.9lm/W(見4202億日元表1)。也就是說，在短短一年時間內(nèi)，LED照明燈具的發(fā)光效率就提高了20%。如果以這種速度繼續(xù)向前發(fā)展，那么，20112012年，LED產(chǎn)品的整體發(fā)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(fèi))已

11、經(jīng)優(yōu)于熒光燈解決方案。對于亮度相當(dāng)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(dāng)累計照明時間超過14000小時，LED燈泡的整體成本就將優(yōu)于熒光燈泡?？梢?，LED照明具有長期成本優(yōu)勢。 圖4 三種照明器具的整體成本據(jù)日本LED協(xié)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(jìn)入實(shí)用化的關(guān)鍵目標(biāo)。實(shí)際上，這個日期將有可能大幅提前。日亞化學(xué)工業(yè)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(rèn)為今后的價格下降速度不會放緩。” 廠商將逐步停止生產(chǎn)和銷售白熾燈，LED燈具的發(fā)光效率將超過熒光燈，每流明1日元的實(shí)用化目標(biāo)將會實(shí)現(xiàn)綜合考慮這些因素可以得出一個結(jié)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(jī)遇。 技術(shù)創(chuàng)新打造質(zhì)優(yōu)價廉的LED 開啟實(shí)用之門 目前，LED照明的價格是傳統(tǒng)照明的幾倍到幾十倍，對于公司和普通消費(fèi)者來說，門檻較高。這些產(chǎn)品的價格之所以高，主要是因?yàn)槠潢P(guān)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(fā)

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(gòu)、材料等方面的創(chuàng)新來提高發(fā)光效率。較高的發(fā)光效率不僅能降低封裝成本，而且還可以減少發(fā)熱。此外，散熱性能也是至關(guān)重要的因素。如果LED封裝內(nèi)產(chǎn)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(fā)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(fèi)者及LED燈泡批發(fā)商要求降價的愿望非常強(qiáng)烈。下面將以東芝照明技術(shù)公司的LED燈泡為例分析如何降低成本。 該公司的產(chǎn)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(nèi)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(chǎn)生的熱量。 圖5 LED燈泡的結(jié)構(gòu)新舊兩款產(chǎn)品在外殼形狀上沒有太大差異，但新產(chǎn)品沒有涂層，直接采用裸露的鋁表面，而且省去了裝飾環(huán)，從而控制了成本。 兩者內(nèi)部的電源電路則大不相同。在原來的產(chǎn)品中，樹脂殼中電源電路板的內(nèi)側(cè)使用了填充劑；而在新產(chǎn)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(kuò)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(huán)氧樹脂也可以降低成本。當(dāng)然，較薄的外殼也有助于降低材料成本。 新舊產(chǎn)品的LED封裝都是由日亞化學(xué)工業(yè)公司生產(chǎn)的。舊款LED封裝包括6個并聯(lián)芯片，新款則只包括3個串聯(lián)芯片。這種設(shè)計上的變化減小了

15、電源電流，從而減少了電源發(fā)熱。 排列400個LED 羅姆半導(dǎo)體公司正致力于改進(jìn)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(shù)量。不過，羅姆公司分立模塊生產(chǎn)總部照明分部部長四方秀明表示，該公司發(fā)現(xiàn)采用大量低亮度LED更便宜。 目前，通用的LED封裝已批量生產(chǎn)，而且價格非常便宜。另外，由于每個封裝內(nèi)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(fā)其它類型的LED照明，包括燈泡、基

16、礎(chǔ)照明和線性照明。這些產(chǎn)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(shù)量超過70個，基礎(chǔ)照明和線性照明中的LED數(shù)量則在400個以上。 散熱技術(shù)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?yàn)樗麄兡軌蜃约悍庋b，并利用公司現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)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(nèi)，業(yè)界將會達(dá)到自然散熱的極限?！睂Ω琳彰鞯男枨髮?dǎo)致熱量輸出的不斷增加。 當(dāng)LED變熱時，正向電壓和發(fā)光效率會下降，

17、使用壽命會縮短。高亮度封裝往往會產(chǎn)生很多熱量，需要昂貴的熱阻材料，從而進(jìn)一步提高成本。換言之，熱輻射是影響LED發(fā)光效率、成本和壽命的關(guān)鍵因素。 隨著高亮度封裝的增加，越來越多的LED照明設(shè)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(yè)界提出了許多新的能夠高效散熱的基板結(jié)構(gòu)。 日本電氣化學(xué)工業(yè)公司利用大和工業(yè)（Daiwa Kougyo）公司的有關(guān)技術(shù)開發(fā)出AGSP(Advanced Grade Solid-bump Process)基板技術(shù)，改進(jìn)了散熱性能。該結(jié)構(gòu)在絕緣樹脂中嵌入具有高導(dǎo)熱率的銅柱，使得LED產(chǎn)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(shí)現(xiàn)高效散熱。電氣化學(xué)工業(yè)公司電子材料業(yè)務(wù)部長米村直己表示：“當(dāng)LED燈具亮度相當(dāng)于40W白熾燈時，金屬基板足以解決散熱問題；而當(dāng)LED燈具亮度相當(dāng)于100W白熾燈時，就需要采用AGSP基板技術(shù)?！便~柱的直徑約為4mm，足夠安裝LED芯片。 圖6 AGSP技術(shù)提供出色的散熱性能為了實(shí)現(xiàn)高熱導(dǎo)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(chǎn)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(xué)工業(yè)公司正在進(jìn)行量產(chǎn)評估，其目標(biāo)是在2010年實(shí)現(xiàn)全規(guī)模的商用化運(yùn)作。 雖然AGSP基板相對便宜，但仍需進(jìn)一步

19、降低成本，因?yàn)槟壳捌涑杀救允墙饘倩宓膬杀丁９鞠Ｍ軌蚋倪M(jìn)銅柱成型技術(shù)，并實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，從而將成本降低到與金屬基板相當(dāng)?shù)乃健?改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu) 除了增強(qiáng)散熱性能外，提高發(fā)光效率的其它方法還包括改變芯片結(jié)構(gòu)和封裝以及使用新材料等。 在照明應(yīng)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(fā)射的光通路較長，其中的衰減會降低發(fā)光效率。通過更改芯片結(jié)構(gòu)，在基板上涂覆GaN(氮化鎵)層，這個問題最近已經(jīng)得到解決。 歐司朗光電半導(dǎo)體公司開發(fā)出ThinGaN技術(shù)，可以使用激光器將藍(lán)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(fā)射出來。 該公司還采用芯片級轉(zhuǎn)換(CLC)技術(shù)直接將熒光粉涂覆在芯片發(fā)射表面(見圖7)，這樣就可以從同一表面發(fā)射藍(lán)光和黃光。當(dāng)與透鏡配合使用時，可以獲得很好的效果。 圖7 通過改進(jìn)封裝結(jié)構(gòu)來提高發(fā)光效率傳統(tǒng)的GaN基藍(lán)光LED從發(fā)射層側(cè)面發(fā)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(lán)光只從芯片中發(fā)出，黃光則從含有熒光粉的密封樹脂中發(fā)出，這意味著藍(lán)、黃兩種顏色的光具有不同大小的光源，通常會導(dǎo)致色調(diào)發(fā)生變化。 2008年，歐司朗光電半導(dǎo)體公司推出新型Golden DRAGON Plus封裝技術(shù)，改進(jìn)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(shù)對芯片側(cè)壁及層間界面等進(jìn)行刻蝕，提高了光輸出效率。該公司采用直徑僅數(shù)百納米的特殊模具對光線進(jìn)行折射，以防止來自發(fā)射層的光線在空氣界面出現(xiàn)反射(見圖8)。 圖8 利用表面刻蝕技術(shù)提高亮度和發(fā)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(jīng)在采用該技術(shù)。SCIVAX公司副總裁奧田德路解釋了其能以低成本提高發(fā)光效率的原因：“傳統(tǒng)技術(shù)很難處理大面積晶圓，但利用納米印刷技術(shù)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(zhuǎn)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(xì)孔洞的深度和直徑約為200nm，需要進(jìn)行優(yōu)化以匹配具體特性(如光波長及芯片成分)。 仿真結(jié)果表明： 該技術(shù)可以使LED芯片發(fā)光亮度提高20%30%。此外，在發(fā)光層形成以前，也可以將該工藝用于藍(lán)寶石基板，從而抑制藍(lán)寶石與緩沖膜界面的反射。該公司指出，在GaN晶體生長期間，采用該工藝