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漲知識:最全LED產業鏈詳解

漲知識:最全LED產業鏈詳解

2021-11-19 12:56:27 0

(一)LED 簡介

1、LED 基本介紹

LED 是“Light Emitting Diode”的縮寫,中文譯為“發光二極管”,是一種可以將電能轉化為光能的半導體器件。LED 的核心部分是由 p 型半導體和 n 型半導體組成的芯片,在 p 型半導體和 n 型半導體之間有一個 p-n 結,當注入的少數載流子與多數載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來,從而把電能轉換為光能。不同材料的芯片可以發出紅、橙、黃、綠、藍、紫色等不同顏色的光,“發光二極管”也因此而得名。

與傳統照明相比,LED 在節能方面優勢明顯,是目前世界上先進的照明技術。被業界認為是人類繼愛迪生發明白熾燈泡后偉大的發明之一。

LED 的另一大特點是環保。LED 為固態發光器件,不含汞,在生產和使用中都不會因為破裂導致有毒金屬環境污染。

2、LED 應用領域及其分類

在全球能源危機的大環境下,節能、環保、色彩豐富、安全、壽命長、微型化的半導體 LED 照明已被世界公認為人類照明史上第三次照明革命。隨著 LED技術的提升,其應用領域正在不斷拓展和延伸,被廣泛運用于液晶屏背光源、通用照明、信號顯示、信號燈和車用燈具等領域。

3、LED 封裝及其產品分類

LED 封裝是指用環氧樹脂或有機硅等材料把 LED 芯片和支架包封起來的過程。具體而言,就是將 LED 芯片及其他構成要素在支架或基板上布置、固定及連接,引出接線端子,并通過可塑性透光絕緣體介質包封固定,構成整體立體結構的過程,為芯片的正常工作提供保護及散熱功能。

目前,LED 器件的類型主要為直插型(Lamp)和表面貼裝型(SMD),其中,SMD 型產品與 Lamp 型產品相比,具有很多獨到的優異特性,如:組裝密度高、電子產品體積小、重量輕,節省材料、能源、設備、人力、時間等。具體體現為:

(1)焊點缺陷率低,高頻特性好,減少了電磁和射頻干擾;

(2)可靠性高、抗振能力強;

(3)易于實現自動化,提高生產效率,降低成本達 30%——50%;

(4)貼片組件的體積和重量只有傳統插裝組件的 1/10 左右,一般采用 SMT之后,電子產品體積縮小 40%——60%,重量減輕 60%——80%。

目前,SMD LED 主要應用于背光、照明等領域。

從封裝形式區分,SMD LED 產品包括 Chip 類、Top 類、Sideview 類和大功率類產品,其中 TOP 類、Sideview 類和大功率類產品主要以白光、高亮為主,主要運用領域為背光(如:手機、電腦等領域)和照明(如:室內照明、室外照明等),因此,SMD 高端形式封裝的具體產品通常為 TOP 類產品、Sideview 類產品和大功率類產品,具體表現為白光、高亮產品。國內直插式器件市場已經基本飽和,利潤逐年下降;SMD 低端器件競爭已日趨白日化,SMD 中高端器件產能處于逐步釋放階段,產品價格變化較大。

4、LED 按發光顏色分類及其應用

LED 屬于半導體光電器件范疇,依發光顏色分為單色光 LED、全彩 LED 和白光 LED。其中,白光 LED 主要用于背光和照明領域,用途較為廣泛。各色光LED 分類及應用領域如下:

隨著白光 LED 的發光效率的提升,半導體照明已廣泛應用于手機、背光源、特種照明等領域,正向普通照明領域推進。按照“美國半導體照明發展藍圖(OIDA2002.11)”規劃(資料來源:《中國半導體照明產業發展年鑒》 (2008-2009)),到2012 年照明用 LED 的發光效率達到 150lm/w,2020 年照明用 LED 的發光效率要達到 200lm/w,滲透到所有照明領域。目前,白光 LED 的發光效率大約在120lm/w,不斷提升白光 LED 的發光效率已成為推動白光 LED 技術進步的重要內容之一。到目前為止,還沒有發現比白光 LED 更適合于半導體照明領域的產品。

5、LED 應用發展概況

早在 1907 年,人類就發現了半導體材料的通電發光現象,然而直到 20 世紀60 年代,由化合物半導體材料 GaAsP 制成的紅光 LED 才真正實現商用,但由于發光效率非常低,而成本卻非常高,當時僅用于各種昂貴電子設備的信號指示燈。

進入 90 年代以后,隨著 LED 發光效率、發光強度的逐漸提高,以及發光光色對整個可見光譜范圍的全覆蓋,LED 光源的節能效果和實用性得以凸顯,其應用領域也得到了較大的拓展,目前 LED 已經廣泛應用于液晶屏背光源、戶外大屏幕、光通信光源、交通信號燈、舞臺燈、景觀燈、汽車尾燈,并逐漸進入路燈、室內照明、汽車前燈等傳統照明應用領域。

6、全球 LED 封裝行業發展狀況

全球 LED 封裝行業的發展是伴隨著 LED 產業鏈技術的發展進行的,具有明顯的產業轉移特征。全球五大 LED 巨頭:日本 Nichia、ToyodaGosei、美國 CREE、Lumileds、德國 Osram 代表了 LED 的高技術水平,引領著 LED 產業的發展。

20 世紀 50 年代,英國發明了第一枚具有現代意義的 LED(Light EmittingDiode),1962 年美國通用電氣公司率先研制出第一種實際應用的可見光發光二極管。到了 20 世紀 70 年代,黃色和綠色 LED 發光器誕生,伴隨著新材料的發明和光效的提高,單個 LED 光源的功率和光通量也在迅速增加。之后的數十年LED 發展迅速,遵守摩爾定律,每 18 個月亮度就會提高一倍。20 世紀 90 年代,由日本的日亞公司研發出了藍色 LED,帶動白光 LED 的開發成功,使得 LED 應用從單純的標識顯示功能向照明功能邁出了實質性的一步。

隨著技術的不斷發展,LED 正在突破光衰、散熱、光效等問題,逐步成為公認的節能、環保的新型光源,具有優越的經濟效益和社會效益,應用前景極其廣闊。各國政府日益重視,為節約能源、推行環保,目前很多國家都在加緊立法或推出相應科研、應用計劃,或制訂明確的鼓勵使用節能型光源的時間表。2001年 7 月,美國能源部啟動一項名為“Next-GenerationLightingInitiative(NGLI)”計劃,即“下一代照明計劃”。日本 21 世紀照明計劃是由日本金屬研發中心和新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)發起和組織的一個國家計劃。2000 年 7月,歐盟實施彩虹計劃(Rainbow project bringscolorto LEDs),設立執行研究總署(ECCR),通過歐盟的 BRITE/EURAM-3program 支持推廣白光 LED 的應用。為應對全球節能環保趨勢,韓國產業資源部成立了“GaN 光半導體”開發計劃,來發展以 GaN 材料為主的白光 LED 照明光源相關研究。中國 2000 年開始持續推出眾多 LED 扶持政策,并于 2009 年開展“十城萬盞”LED 照明推廣計劃,大力發展 LED 產業。

全球 LED 產業在各國政府政策的大力扶持下,LED 在各領域得到了廣泛應用,獲得了快速的發展。當前,全球 LED 封裝產業主要集中于日本、臺灣、美國、歐洲、韓國和中國大陸等區域。其中日本、美國、歐洲,因為擁有先發產業技術和制造設備優勢,為全球早的 LED 封裝產業發展區域;臺灣和韓國擁有消費類電子完整產業鏈,產業上中下游分工明確,產業鏈供銷穩定,因此近年來迅速崛起;中國大陸地區具有成本優勢和迅速擴大的 LED 應用市場,在近的10 年時間里,世界各國包括臺灣地區的 LED 封裝資本不斷的向中國大陸轉移,紛紛在中國大陸設立封裝廠,內資封裝企業不斷成長發展,技術不斷成熟和創新,使得中國大陸也成為 LED 封裝迅速崛起的地區之一。

LED 封裝具有技術密集型和資本密集型的特點,由于中國大陸具有成本優勢和迅速擴大的 LED 應用市場,國際及臺灣封裝廠商紛紛到大陸投資建廠,以取得就近配套與終端市場優勢,使得中國大陸的 LED 封裝產業得以持續快速的增長,也使得中國大陸成為全球重要的 LED 封裝基地,這不僅擴大了中國大陸LED 封裝在世界 LED 封裝領域的市場占有率,同時也提升了中國大陸廠商的LED 封裝技術,加速了整個產業的快速發展。中國封裝產業初步形成了珠江三角洲、長江三角洲、閩贛地區、環渤海區域等四大 LED 密集區域,中國已經成為世界重要的 LED 封裝基地。

7、LED 封裝行業的發展趨勢

(1)SMD 封裝逐漸成為 LED 封裝的主要形式

表面貼裝封裝的 SMD LED 成為一個發展熱點,很好地解決了亮度、視角、平整度、可靠性、一致性等問題,采用更輕的 PCB 板和反射層材料,在顯示反射層需要填充的環氧樹脂更少,并去除較重的碳鋼材料引腳,通過縮小尺寸,降低重量,可輕易地將產品重量減輕一半,終使應用更趨完美,尤其適合對產品厚度不斷減少的各類背光產品及戶內,半戶外全彩顯示屏應用。

SMD LED 封裝具有一定的技術難度,這種技術難度體現在:

一是如何設計器件結構,優化封裝材料組合,以提高器件發光效率,并使配光曲線滿足要求。良好的封裝形式不僅能夠提高 LED 芯片的使用效果,也有助于企業實現產品的差異化。SMD 器件結構的不斷研究,帶來了器件結構的不斷發展,針對細分市場的專用器件不斷出現,如滿足戶外顯示屏應用要求的橢圓形LED、滿足小尺寸 LCD 背光要求的側面發光 LED 等。

二是有效解決散熱問題,以提高器件可靠性。LED 器件熱阻高會導致芯片的 PN 結溫升高,引起 LED 光衰發生、散熱是 LED 封裝首要的技術難點。本項關鍵技術的持續研究,豐富和發展了封裝材料,從而使器件熱阻大大降低,器件壽命有了根本保證。

白光LED的封裝技術成為業界為關注且投入研究力量多的一項關鍵技術,利用先進的封裝技術,提高對白光LED色溫、色度坐標、顯色指數等參數的控制,從而獲得品質優良的白光LED,以滿足不同市場對不同白光LED的要求,實現批量生產的白光LED色溫、色度坐標、顯色指數高度集中,對任何廠商而言,都是極具挑戰性的技術難題。

(2)背光源和照明產品將成 LED 市場后續高速成長的動力

隨著 LED 背光源在大尺寸液晶面板中滲透率的快速提升和 LED 照明市場的超預期發展,整個 LED 行業將會出現加速增長勢頭。LED 背光和 LED 通用照明是增長快的兩個領域,背光源和照明將成 LED市場后續高速成長的動力。

8、背光 LED 市場需求

LED 背光源包括小尺寸背光源、中尺寸背光源以及大尺寸背光源,其中小尺寸背光源主要應用于手機、MP3、MP4、PDA、數碼相機、攝像機和健身器材等;中尺寸背光源,主要用于筆記本電腦、上網本、計算機顯示器和監視器等;大尺寸主要應用于液晶電視等。

不同尺寸液晶屏對 LED 背光源的數量及性能要求如下:

9、照明 LED 市場需求

LED 照明較普通照明具備節能、環保、響應時間短、使用時間長等優勢,決定了它是理想的替代光源。目前其使用成本偏高,其大力推廣受到了制約,但是隨著 LED 成本的逐步降低,同時在各國政府致力推廣節能政策、全球范圍內逐步淘汰白熾燈的推動下,LED 照明將帶來巨大的發展機遇。LED 照明應用市場主要可分為室外景觀照明(護欄燈、投射燈、草坪燈等)、室內普通照明、裝飾照明、專用照明(路燈、手電筒、頭燈、閱讀燈等)、特種照明(軍用、醫用照明、生物專用燈等)和車燈照明等。

隨著白熾燈泡的禁用,10W 以下的 LED 燈泡商機涌現。依現階段照明占全球電力消耗的比重達 19%,耗能總量達到 2651TWH。如果能夠將現有的光源替換成節能光源,預計將可以省下 30%能源消耗。若再進一步將節能光源與感測器、智能電網等相關應用作結合,預計還可以再節省 30%的能源消耗。如果到 2030 年能夠節省 50%的能耗,相當于減少 20 億桶石油的二氧化碳排放量。

全球白熾燈泡的年平均消耗量在 200 億只,LED 在白熾燈照明領域滲透率每提升一個百分點,就會帶來 32 億顆 LED 封裝器件的增量需求。

10、中國大陸 LED 封裝行業競爭格局

這四大區域一直是中國 LED 產業發展的基礎所在,也是 LED 產品應用推廣的主要地區。其中珠三角地區是中國 LED 封裝企業集中,封裝產業規模大的地區,企業數量占全中國的一半左右,該區域匯聚眾多封裝物料與封裝設備的生產商與代理商,配套為完善,其他 3 個地區企業規模較小。長三角地區,以上海、杭州、揚州、寧波為產業聚集中心,投資環境較好,為中國的 LED 產業第二大封裝基地,產業鏈上下游較平衡。閩贛地區主要是以廈門、泉州、南昌、景德鎮為產業聚集中心,為中國大的外延、芯片制造基地,因臨近臺灣,具有優越的 LED 產業對接優勢。環渤海地區是以北京、石家莊、沈陽、大連、山東濰坊為產業聚集中心,其特點是科研單位、研究所和大學眾多,因此在 LED 制程技術、LED 設備研究方面一直走在中國前列。

11、產業鏈概述

LED 產業具有典型的不均衡產業鏈結構,一般按照材料制備、芯片制備和器件封裝與應用分為上、中、下游,雖然產業環節不多,但其涉及的技術領域廣泛,技術工藝多樣化,每一領域的技術特征和資本特征差異很大。

LED 產業的產業鏈主要可分四部分:即 LED 外延片生長、芯片制造、器件封裝和應用產品及相關配套產業,分為上游、中游和下游。半導體襯底材料、外延晶片的制造是上游產業,芯片制造是中游產業,器件封裝及基于 LED 器件的應用產品制造是下游產業。

12、生產工藝流程

白光LED的封裝工藝的實現是采用高精度全自動化生產設備,封裝環境為萬級無塵車間。

A、背光 LED 器件生產工藝流程圖

B、照明 LED 器件生產工藝流程圖

(1)大功率(含0.5W及以上)照明LED

13、環境保護

生產過程中不存在高危險或重污染的情況,所生產產品亦為節能環保產品。主要污染源和污染物為:生活廢水、一般廢氣、有機廢氣、噪聲源和固體廢物,其中,噪聲源來自切割機、焊線機等工藝設備和冷凍機、各種泵、冷卻塔和空調機組,固體廢物為生產過程產生的邊角料。

14、安全生產衛生

(1)在工藝設計中采用合理的生產組織,先進的生產流程及生產技術,將危險和有害因素減至低程度。

(2)生產中產生的有害氣體的工藝設備設局部排風裝置,并處理達標后再排放,確保生產人員的身體健康。

(3)所有用電設備、配電設備設安全接地,配電系統設短路保護、過電流保護等措施,保證用電安全。對高大建筑物采用避雷針方式。380/220V供電系統采用接零保護,防止出現電擊事故。

(4)主要建筑物設避雷網。

(5)廠房出入口及潔凈區內有應急照明、安全出口供疏散使用。發生事故時,人員可迅速撤離。

(6)對風機、泵等設備產生的噪聲采取一系列降低噪聲措施,例如選用低噪聲設備,采用減振基礎、消聲器等保證室內噪聲符合國家規范要求。

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