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【干货】涨知识:LED产业链详解

商显世界 2018-11-07 16:04:16


1、LED 基本介绍


LED 是「Light Emitting Diode」的缩写,中文译为「发光二极管」,是一种可以将电能转化为光能的半导体器件。LED 的核心部分是由 p 型半导体和 n 型半导体组成的芯片,在 p 型半导体和 n 型半导体之间有一个 p-n 结,当注入的少数载流子与多数载流子复合时会把多余的能量以光的形式释放出来,从而把电能转换为光能。


不同材料的芯片可以发出红、橙、黄、绿、蓝、紫色等不同颜色的光,「发光二极管」也因此而得名。



与传统照明相比,LED 在节能方面优势明显,是目前世界上先进的照明技术。被业界认为是人类继爱迪生发明白炽灯泡后伟大的发明之一。



LED 的另一大特点是环保。LED 为固态发光器件,不含汞,在生产和使用中都不会因为破裂导致有毒金属环境污染。

 

2、LED 应用领域及其分类



在全球能源危机的大环境下,节能、环保、色彩丰富、安全、寿命长、微型化的半导体 LED 照明已被世界公认为人类照明史上第三次照明革命。随着 LED技术的提升,其应用领域正在不断拓展和延伸,被广泛运用于液晶屏背光源、通用照明、信号显示、信号灯和车用灯具等领域。

 

3、LED 封装及其产品分类 


LED 封装是指用环氧树脂或有机硅等材料把 LED 芯片和支架包封起来的过程。具体而言,就是将 LED 芯片及其他构成要素在支架或基板上布置、固定及连接,引出接线端子,并通过可塑性透光绝缘体介质包封固定,构成整体立体结构的过程,为芯片的正常工作提供保护及散热功能。



目前,LED 器件的类型主要为直插型(Lamp)和表面贴装型(SMD),其中,SMD 型产品与 Lamp 型产品相比,具有很多独到的优异特性,如:组装密度高、电子产品体积小、重量轻,节省材料、能源、设备、人力、时间等。具体体现为: 

(1)焊点缺陷率低,高频特性好,减少了电磁和射频干扰; 

(2)可靠性高、抗振能力强; 

(3)易于实现自动化,提高生产效率,降低成本达 30%~50%; 

(4)贴片组件的体积和重量只有传统插装组件的 1/10 左右,一般采用 SMT之后,电子产品体积缩小 40%~60%,重量减轻 60%~80%。


目前,SMD LED 主要应用于背光、照明等领域。

 

从封装形式区分,SMD LED 产品包括 Chip 类、Top 类、Sideview 类和大功率类产品,其中 TOP 类、Sideview 类和大功率类产品主要以白光、高亮为主,主要运用领域为背光(如:手机、电脑等领域)和照明(如:室内照明、室外照明等)。


因此,SMD 高端形式封装的具体产品通常为 TOP 类产品、Sideview 类产品和大功率类产品,具体表现为白光、高亮产品。国内直插式器件市场已经基本饱和,利润逐年下降;SMD 低端器件竞争已日趋白日化,SMD 中高端器件产能处于逐步释放阶段,产品价格变化较大。


4、LED 按发光颜色分类及其应用


LED 属于半导体光电器件范畴,依发光颜色分为单色光 LED、全彩 LED 和白光 LED。其中,白光 LED 主要用于背光和照明领域,用途较为广泛。各色光LED 分类及应用领域如下:



随着白光 LED 的发光效率的提升,半导体照明已广泛应用于手机、背光源、特种照明等领域,正向普通照明领域推进。按照「美国半导体照明发展蓝图(OIDA2002.11)」规划(资料来源:《中国半导体照明产业发展年鉴》 (2008-2009)),到2012 年照明用 LED 的发光效率达到 150lm/w,2020 年照明用 LED 的发光效率要达到 200lm/w,渗透到所有照明领域。


目前,白光 LED 的发光效率大约在120lm/w,不断提升白光 LED 的发光效率已成为推动白光 LED 技术进步的重要内容之一。到目前为止,还没有发现比白光 LED 更适合于半导体照明领域的产品。


5、LED 应用发展概况


早在 1907 年,人类就发现了半导体材料的通电发光现象,然而直到 20 世纪60 年代,由化合物半导体材料 GaAsP 制成的红光 LED 才真正实现商用,但由于发光效率非常低,而成本却非常高,当时仅用于各种昂贵电子设备的信号指示灯。


进入 90 年代以后,随着 LED 发光效率、发光强度的逐渐提高,以及发光光色对整个可见光谱范围的全覆盖,LED 光源的节能效果和实用性得以凸显,其应用领域也得到了较大的拓展。


目前 LED 已经广泛应用于液晶屏背光源、户外大屏幕、光通信光源、交通信号灯、舞台灯、景观灯、汽车尾灯,并逐渐进入路灯、室内照明、汽车前灯等传统照明应用领域。



6、全球 LED 封装行业发展状况


全球 LED 封装行业的发展是伴随着 LED 产业链技术的发展进行的,具有明显的产业转移特征。全球五大 LED 巨头:日本 Nichia、ToyodaGosei、美国 CREE、Lumileds、德国 Osram 代表了 LED 的高技术水平,引领着 LED 产业的发展。


20 世纪 50 年代,英国发明了第一枚具有现代意义的 LED(Light EmittingDiode),1962 年美国通用电气公司率先研制出第一种实际应用的可见光发光二极管。到了 20 世纪 70 年代,黄色和绿色 LED 发光器诞生,伴随着新材料的发明和光效的提高,单个 LED 光源的功率和光通量也在迅速增加。


之后的数十年LED 发展迅速,遵守摩尔定律,每 18 个月亮度就会提高一倍。20 世纪 90 年代,由日本的日亚公司研发出了蓝色 LED,带动白光 LED 的开发成功,使得 LED 应用从单纯的标识显示功能向照明功能迈出了实质性的一步。

 

随着技术的不断发展,LED 正在突破光衰、散热、光效等问题,逐步成为公认的节能、环保的新型光源,具有优越的经济效益和社会效益,应用前景极其广阔。各国政府日益重视,为节约能源、推行环保,目前很多国家都在加紧立法或推出相应科研、应用计划,或制订明确的鼓励使用节能型光源的时间表。


2001年 7 月,美国能源部启动一项名为「Next-GenerationLightingInitiative(NGLI)」计划,即「下一代照明计划」。日本 21 世纪照明计划是由日本金属研发中心和新能源产业技术综合开发机构(NEDO)发起和组织的一个国家计划。2000 年 7月,欧盟实施彩虹计划(Rainbow project bringscolorto LEDs),设立执行研究总署(ECCR),通过欧盟的 BRITE/EURAM-3program 支持推广白光 LED 的应用。


为应对全球节能环保趋势,韩国产业资源部成立了「GaN 光半导体」开发计划,来发展以 GaN 材料为主的白光 LED 照明光源相关研究。中国 2000 年开始持续推出众多 LED 扶持政策,并于 2009 年开展「十城万盏」LED 照明推广计划,大力发展 LED 产业。


全球 LED 产业在各国政府政策的大力扶持下,LED 在各领域得到了广泛应用,获得了快速的发展。当前,全球 LED 封装产业主要集中于日本、台湾、美国、欧洲、韩国和中国大陆等区域。


其中日本、美国、欧洲,因为拥有先发产业技术和制造设备优势,为全球早的 LED 封装产业发展区域;台湾和韩国拥有消费类电子完整产业链,产业上中下游分工明确,产业链供销稳定,因此近年来迅速崛起;中国大陆地区具有成本优势和迅速扩大的 LED 应用市场。


在近的10 年时间里,世界各国包括台湾地区的 LED 封装资本不断的向中国大陆转移,纷纷在中国大陆设立封装厂,内资封装企业不断成长发展,技术不断成熟和创新,使得中国大陆也成为 LED 封装迅速崛起的地区之一。


LED 封装具有技术密集型和资本密集型的特点,由于中国大陆具有成本优势和迅速扩大的 LED 应用市场,国际及台湾封装厂商纷纷到大陆投资建厂,以取得就近配套与终端市场优势,使得中国大陆的 LED 封装产业得以持续快速的增长,也使得中国大陆成为全球重要的 LED 封装基地。


这不仅扩大了中国大陆LED 封装在世界 LED 封装领域的市场占有率,同时也提升了中国大陆厂商的LED 封装技术,加速了整个产业的快速发展。中国封装产业初步形成了珠江三角洲、长江三角洲、闽赣地区、环渤海区域等四大 LED 密集区域,中国已经成为世界重要的 LED 封装基地。


7、LED 封装行业的发展趋势

 

(1)SMD 封装逐渐成为 LED 封装的主要形式


表面贴装封装的 SMD LED 成为一个发展热点,很好地解决了亮度、视角、平整度、可靠性、一致性等问题,采用更轻的 PCB 板和反射层材料,在显示反射层需要填充的环氧树脂更少,并去除较重的碳钢材料引脚,通过缩小尺寸,降低重量,可轻易地将产品重量减轻一半,终使应用更趋完美,尤其适合对产品厚度不断减少的各类背光产品及户内,半户外全彩显示屏应用。


SMD LED 封装具有一定的技术难度,这种技术难度体现在:


一是如何设计器件结构,优化封装材料组合,以提高器件发光效率,并使配光曲线满足要求。良好的封装形式不仅能够提高 LED 芯片的使用效果,也有助于企业实现产品的差异化。SMD 器件结构的不断研究,带来了器件结构的不断发展,针对细分市场的专用器件不断出现,如满足户外显示屏应用要求的椭圆形LED、满足小尺寸 LCD 背光要求的侧面发光 LED 等。


二是有效解决散热问题,以提高器件可靠性。LED 器件热阻高会导致芯片的 PN 结温升高,引起 LED 光衰发生、散热是 LED 封装首要的技术难点。本项关键技术的持续研究,丰富和发展了封装材料,从而使器件热阻大大降低,器件寿命有了根本保证。


白光LED的封装技术成为业界为关注且投入研究力量多的一项关键技术,利用先进的封装技术,提高对白光LED色温、色度坐标、显色指数等参数的控制,从而获得品质优良的白光LED,以满足不同市场对不同白光LED的要求,实现批量生产的白光LED色温、色度坐标、显色指数高度集中,对任何厂商而言,都是极具挑战性的技术难题。


(2)背光源和照明产品将成 LED 市场后续高速成长的动力


随着 LED 背光源在大尺寸液晶面板中渗透率的快速提升和 LED 照明市场的超预期发展,整个 LED 行业将会出现加速增长势头。LED 背光和 LED 通用照明是增长快的两个领域,背光源和照明将成 LED市场后续高速成长的动力。


8、背光 LED 市场需求


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应用于手机、MP3、MP4、PDA、数码相机、摄像机和健身器材等;中尺寸背光源,主要用于笔记本电脑、上网本、计算机显示器和监视器等;大尺寸主要应用于液晶电视等。


不同尺寸液晶屏对 LED 背光源的数量及性能要求如下:

 


9、照明LED市场需求


LED 照明较普通照明具备节能、环保、响应时间短、使用时间长等优势,决定了它是理想的替代光源。


目前其使用成本偏高,其大力推广受到了制约,但是随着 LED 成本的逐步降低,同时在各国政府致力推广节能政策、全球范围内逐步淘汰白炽灯的推动下,LED 照明将带来巨大的发展机遇。


LED 照明应用市场主要可分为室外景观照明(护栏灯、投射灯、草坪灯等)、室内普通照明、装饰照明、专用照明(路灯、手电筒、头灯、阅读灯等)、特种照明(军用、医用照明、生物专用灯等)和车灯照明等。


随着白炽灯泡的禁用,10W 以下的 LED 灯泡商机涌现。依现阶段照明占全球电力消耗的比重达 19%,耗能总量达到 2651TWH。如果能够将现有的光源替换成节能光源,预计将可以省下 30%能源消耗。


若再进一步将节能光源与感测器、智能电网等相关应用作结合,预计还可以再节省 30%的能源消耗。如果到 2030 年能够节省 50%的能耗,相当于减少 20 亿桶石油的二氧化碳排放量。


全球白炽灯泡的年平均消耗量在 200 亿只,LED 在白炽灯照明领域渗透率每提升一个百分点,就会带来 32 亿颗 LED 封装器件的增量需求。 


10、中国大陆 LED 封装行业竞争格局



这四大区域一直是中国 LED 产业发展的基础所在,也是 LED 产品应用推广的主要地区。其中珠三角地区是中国 LED 封装企业集中,封装产业规模大的地区,企业数量占全中国的一半左右,该区域汇聚众多封装物料与封装设备的生产商与代理商,配套为完善,其他 3 个地区企业规模较小。


长三角地区,以上海、杭州、扬州、宁波为产业聚集中心,投资环境较好,为中国的 LED 产业第二大封装基地,产业链上下游较平衡。


闽赣地区主要是以厦门、泉州、南昌、景德镇为产业聚集中心,为中国大的外延、芯片制造基地,因临近台湾,具有优越的 LED 产业对接优势。


环渤海地区是以北京、石家庄、沈阳、大连、山东潍坊为产业聚集中心,其特点是科研单位、研究所和大学众多,因此在 LED 制程技术、LED 设备研究方面一直走在中国前列。


11、产业链概述


LED 产业具有典型的不均衡产业链结构,一般按照材料制备、芯片制备和器件封装与应用分为上、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,每一领域的技术特征和资本特征差异很大。


LED 产业的产业链主要可分四部分:即 LED 外延片生长、芯片制造、器件封装和应用产品及相关配套产业,分为上游、中游和下游。半导体衬底材料、外延晶片的制造是上游产业,芯片制造是中游产业,器件封装及基于 LED 器件的应用产品制造是下游产业。



12、生产工艺流程


白光LED的封装工艺的实现是采用高精度全自动化生产设备,封装环境为万级无尘车间。


A、背光 LED 器件生产工艺流程图 

B、照明 LED 器件生产工艺流程图 

(1)大功率(含0.5W及以上)照明LED 


13、环境保护


生产过程中不存在高危险或重污染的情况,所生产产品亦为节能环保产品。主要污染源和污染物为:生活废水、一般废气、有机废气、噪声源和固体废物,其中,噪声源来自切割机、焊线机等工艺设备和冷冻机、各种泵、冷却塔和空调机组,固体废物为生产过程产生的边角料。


14、安全生产卫生


(1)在工艺设计中采用合理的生产组织,先进的生产流程及生产技术,将危险和有害因素减至低程度。


(2)生产中产生的有害气体的工艺设备设局部排风装置,并处理达标后再排放,确保生产人员的身体健康。


(3)所有用电设备、配电设备设安全接地,配电系统设短路保护、过电流保护等措施,保证用电安全。对高大建筑物采用避雷针方式。380/220V供电系统采用接零保护,防止出现电击事故。


(4)主要建筑物设避雷网。


(5)厂房出入口及洁净区内有应急照明、安全出口供疏散使用。发生事故时,人员可迅速撤离。


(6)对风机、泵等设备产生的噪声采取一系列降低噪声措施,例如选用低噪声设备,采用减振基础、消声器等保证室内噪声符合国家规范要求。




来源:光电与显示