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未來全球各區域LED產業的變化解析

1997年日亞化學發表了白光發光二極管(LED),燃起全球對實現半導體照明可能性的希望,各國政府及企業都高度重視。半導體照明可以取代傳統照明光源,除了節能省電,解決能源短缺的問題,并可以帶來龐大商機。經過十多年來努力,白光發光二極管的光效在實驗室已達200 lm/W以上,而市售的產品也已經可以達到150lm/W以上,已超越傳統的白熾燈泡、節能燈以及熒光燈管等。各國政府也將陸續禁止白熾燈泡的使用,再加上LED燈泡的價格與傳統照明光源比較,已達到具有市場競爭力的程度,未來這幾年LED照明市場將步入快速成長期。

       一、過去十年LED產業的發展

       2002年由于手機的背光及按鍵采用白光及藍光氮化鎵發光二極管,使得發光二極管的需求顯著增加,根據市調公司Strategies Unlimited的數據顯示,全世界發光二極管封裝組件市場在2001年至2004年這一段期間,年營收的平均成長高達44%,這是全球發光二極管產業第一波的大成長。

       在2004年至2007年這一段期間,市場的應用開始朝向更大面積的GPS屏幕、電子相框和筆記本電腦(Notebook)等背光發展,發光二極管市場持續成長,LED光效則不斷提升,價格則因量大而逐步下降。2008年第四季起由于遭遇金融海嘯的影響,全球景氣轉差,LED晶粒價格跌幅擴大,然由于臺灣晶粒廠商和韓國廠商三星及LG合作,適時推出側光式LED背光源的液晶電視,由于采用LED混光技術(mix-bin) ,提升晶粒使用率,以及晶粒價格的降低,使得采用側光式LED背光源的液晶電視與采用冷陰極管(CCFL)當背光源的液晶電視價差縮小,再加上側光式LED背光的液晶電視,具有超薄屏幕及重量輕的優點,帶動了發光二極管第二波大量的需求,2010年全球高亮度發光二極管的市場較2009年大幅成長了93%。

       但2011年由于受到全球經濟景氣復蘇腳步緩慢的影響,LED背光的液晶電視銷售不如預期,另一方面中國大陸的LED企業,在政府的政策性支持及財務補貼下,大幅的擴充產能,造成LED的供給遠大于需求,市場上LED組件的殺價競爭更趨激烈。然而也由于LED組件價格的下降,讓LED照明光源的價格不再高不可攀,美國科銳 (CREE) 于2013年2月推出的60瓦白熾燈取代型LED燈泡,以9.5瓦的耗電量可以發出800流明的亮度,而售價只有12.97美元。隨后歐洲的歐司朗 (OSRAM) 于2013年4月也宣布將開始銷售價格低于10歐元的LED燈泡。雖然LED燈泡的價格競爭越演越烈,但這將有助于刺激消費大眾的購買意愿。因此,一般預期照明的甜蜜點已經到來,高亮度發光二極管產業即將進入第三波的高成長期。

       二、過去十年來全球各區域LED產業的變化

       依據市調機構Strategies Unlimited的報告顯示,直到2008年以前LED封裝組件的產值以日本為第一,臺灣排名第二,緊接的是歐洲、美國、韓國及中國大陸(如表(一)所示)。但到了2010年韓國廠商的市場占有率一舉從2009的13%大幅躍升到28%,日本雖仍維持世界第一的位置,但LED封裝組件的產值占比已從2009年的44%滑落至2010年的33%。韓國能夠從原來市占率落后臺灣及歐美,而在不到兩年的時間大幅超前,并有三家廠商,三星、LG及首爾半導體名列世界前十大,其主要是憑借著三星及LG力推LED背光的液晶電視,且三星及LG的LED背光是采用內部垂直整合的方式來發展,從LED的磊晶成長、晶粒制作、組件封裝、到背光燈條的制作,完全自制,并提供給自行生產的LED背光液晶電視使用。而三星及LG力推LED背光電視的成功,也讓LED背光的液晶電視滲透率由2009年的2%,約300萬臺,大幅增加到2010年17%,約3100萬臺,當然也創造了LED的大量需求。雖然三星及LG在2009年開始推LED背光電視時,初期自己內部無法提供足夠數量合乎規格的的高光效LED封裝組件,而必須仰賴臺灣LED廠商提供晶粒及封裝產品,但三星、LG、及首爾半導體很快的便將LED產能擴充完成,韓國廠商的MOCVD設備在2008年還不到100臺,但到了2011年其MOCVD的機臺數已迅速的增加至約450臺。由于所生產的LED封裝組件將優先使用于自有品牌的LED背光電視,也因此讓韓國的LED封裝組件產值市占率迅速竄升。但隨著LED背光在LCD電視及監視器的滲透率將于今年2013年逐步提升至90%,已接近飽和,未來成長的空間有限,未來LED封裝組件產值的成長主要動能將來自通用照明。

       三、技術進步加速LED照明時代的來臨

       隨著全球許多國家開始禁用白熾燈泡,以及LED燈泡效率的提升和價格的降低,LED已由景觀照明、戶外照明、逐漸滲透到商業照明的領域,并將在未來幾年大幅取代白熾燈泡成為居家照明的主要光源。

       當然,要取代傳統照明光源,LED的光效必須不斷的提升,不僅要超過白熾燈的10~15流明/瓦,緊湊型熒光燈的40~60流明/瓦,甚至要超越直管型的熒光燈管80~100流明/瓦。根據更新后的美國能源部固態照明研發產品路線圖,在2013年冷白光的LED效率要達到180流明/瓦以上,而暖白光要達到150流明/瓦以上。

       LED封裝組件的效率在過去幾年來有著顯著的進步,2005大部份白光LED封裝組件的光效約只有60流明/瓦左右,但到了今年大部份廠商已有能力達到150流明/瓦。比如日本豐田在2012年2月便宣稱其3528封裝的白光LED光效可以達到170流明/瓦,并從4月開始量產供貨,臺灣的億光也可以供貨150流明/瓦3014LED封裝組件。而韓國的首爾半導體于2013年7月也宣布其中功率5630LED光效達到180流明/瓦。

       LED照明要得到普及,除了LED 的光效要提升外,更重要的因素是價格要有競爭力。依據美國能源部的固態照明研發產品路線圖,于2013年每千流明冷白光的價格要小于4美元,而暖白光的LED每千流明價格要小于5.1美元。而到2020年不論冷白光或暖白光LED封裝組件每千流明的價格要下降到小于1美元,也就是每千流明的價格大約是現在的1/5。這是一個非常大的挑戰,依據美國能源部2013年4月發布的固態照明研發多年計劃書,2012年飛利浦Lumileds公司的冷白光高功率LED光效是130流明/瓦,每千流明的價格約5美元,是比美國能源部計劃的目標每千流明價格6美元稍低,但在LED光效上也稍遜于2012年目標值150流明/瓦。

       為了進一步降低每千流明價格,歐、美、日及韓國的許多LED上游磊晶及晶粒廠都嘗試改用6英寸的藍寶石芯片來增加產能,減少芯片邊緣的損失來提升LED晶粒生產的良率,但這對于臺灣及大陸的上游磊晶及晶粒廠來說并不見得有利,因為目前LED晶粒是處于生產過剩的情形,還要投入資本來擴建6英寸的產線,再加上6英寸藍寶石芯片每單位面積的價格仍遠高于2英寸和4英寸。因此,臺灣及大陸廠商短期內將還是會以4英寸藍寶石芯片為主。但是進入6英寸生產,是無法讓成本達到期望值的。

       由于6英寸的藍寶石芯片較貴,因此,歐司朗、東芝、Bridglux、Plessey、Azzurro及晶能光電嘗試以硅芯片來代替藍寶石芯片,但硅芯片由于與氮化鎵材料晶格不匹配,且熱膨脹系數也差異很大,這讓成長質量好的磊晶層難度增加。雖然硅芯片的價格非常便宜,然由于硅芯片會吸收可見光,在LED晶粒制造過程中還需要先貼合到另一片透明或者具有光反射層的基板上,再將硅芯片從氮化鎵磊晶層移除,這些額外的制造過程也會增加LED晶粒的制造成本。因此雖然目前日本的東芝、英國的Plessey及大陸的晶能光電已開始生產銷售采用硅基板的藍光發光二極管晶?;蚍庾昂玫陌墜夥⒐舛?。但飛利浦Lumileds則決定暫時放棄在硅基板上成長氮化鎵的計劃,而仍專注于采用6英寸藍寶石基板來降低晶粒生產成本。未來氮化鎵磊晶采用硅基板是否能成為主流,將決定于能否克服氮化鎵磊晶長在硅基板上所生產芯片破裂、彎曲而造成生產良率低的問題。

要降低每千流明LED價格另外一種可行方式便是將同樣大小的LED晶粒在較大的電流下操作,產生較高的流明值,如此在相同輸出流明數時,一個LED燈泡所需用到的LED顆數就可以減少。通常一顆1毫米平方大小的LED晶粒,其操作電流是使用在350毫安,如果操作在1安培,而LED的光效不會降低太多,便能夠減少一半以上的LED封裝組件使用量,但前提是所制造生產的LED能夠在高電流下操作而光效率不能降低太多,當然也不能影響LED 組件應有的使用壽命。這種在較大電流密度下可以操作的LED,在某些LED應用上也不見得有優勢,比如全周光的LED燈泡或直管式的熒光燈管,還需要利用光學組件或光擴散膜等來解決眩光,或讓光均勻分布等問題,而且由于LED在大的電流密度下操作,熱量集中,散熱處理的成本也會增加。因此,這種可在大的電流密度下操作的高功率LED,比較適合于有指向性的LED 照明光源,如射燈。

       LED封裝組件的成本,除了LED 晶粒以外,其它封裝材料,如支架、硅膠、熒光粉、封裝制造費用,也占了超過一半以上的費用,仍有很大的空間可以節省下來。目前COB(Chip on board)產品,直接將多顆LED晶粒封裝在鋁基板核心的PCB或陶瓷基板上形成面光源,相較于傳統單顆封裝制程,不但能夠節省一次封裝的成本、光引擎??櫓譜鞒殺競投聞涔獬殺?,同時可以解決點光源所產生的疊影及眩光的問題,使用上有愈來愈普遍的現象。

       至于在LED晶粒的制作過程中,加入幾道工藝將熒光粉及光學組件整合到LED晶粒上的晶粒型封裝(Chip scale package),由于使用到的封裝材料更少,相對于目前SMD封裝產品價格可以更便宜,也是未來的一個發展趨勢。

       四、未來全球各區域LED產業的變化

       LED照明的發展與LED發光效率和成本有密不可分的關系,LED的光效如果沒有超過傳統照明光源,或者價格比傳統光源貴太多,LED照明便無法大量取代傳統照明。而LED照明光源的效率與價格主要取決于LED晶粒的發光效率與生產成本,因此,早期誰能夠在LED晶粒研發制造技術上取得領先,將會影響其在照明市場上的競爭力。由于LED照明可能取代傳統照明,而傳統照明廠商又不能將原有市場拱手讓出,因此,不是自行研發生產制造,便是要與其他公司策略合作。飛利浦公司與美國安捷倫公司于1999年合資成立Lumileds Lighting B.V.,后來在2005年買入安捷倫公司擁有的股份及2007年買入員工的股份,讓Lumileds成為飛利浦公司的子公司便是著眼于要能夠掌控LED照明的核心技術,支持飛利浦照明持續發展所需。

       日本的日亞(Nichia)及豐田合成(TG)由于最早投入氮化鎵藍光發光二極管的研發及生產,目前仍在技術上保持優勢,兩家公司都只從事LED磊晶、晶粒,到封裝的制造生產,且以銷售LED封裝組件為主。日本在LED封裝組件產值仍能維持世界第一,主要靠日亞及豐田合成兩家公司。日亞仍有持續擴產的計劃,預計到2015年將產能擴充到2011年250億顆晶粒的4倍,也就是1000億顆,以確保其在未來幾年仍保持領先的地位。日本其他傳統的LED公司如夏普(Sharp)、西鐵城(Citizen)、東芝(Toshiba)、史坦利(Stanley)、松下(Panasonic)及羅姆(Rohm)由于專利的限制,多與日亞或豐田合作,或向美國科銳公司購買藍光發光二極管晶粒,再封裝成白光LED銷售,因此,這幾家在LED產業的市占率難以擴大。Sharp雖然在2008及2009年與日亞及豐田簽定專利許可協議,并建立一座年產50億顆LED晶粒的工廠,但由于規模太小,無法讓Sharp重回LED市占率前五大的公司。至于LED照明光源及燈具的開發,日本也是最早投入的國家,幾家傳統照明公司如東芝、松下、日立、NEC等也都積極的投入,但由于過去這些公司只專注日本市場,而日本市場的容量不大,因此日本廠商這幾年也開始積極進軍國際市場。

       韓國廠商利用LED背光電視的機會,擴充了LED晶粒及封裝產能,由于LED技術的快速進步,三星及LG因而將LED背光使用的中功率LED導入照明的應用,由于中功率LED已大量運用于LED背光,價格低且性價比高,不但光效可達150 lm/W,每千流明價格亦不到2美元,比起歐美廠商生產的大功率LED具有很大的優勢。三星及LG打算在LED照明也和LED背光一樣采取垂直整合的模式,由LED磊晶、晶粒、封裝到制成燈泡,然后透過其電子產品營銷通路銷售,一氣呵成,希望復制其在LED背光電視成功的模式。

       歐美的LED廠商,如飛利浦Lumileds,歐司朗及美國的科銳及普銳光電,在過去LED照明市場以主推高功率LED為主,由于高功率LED每單位流明的價格遠不如中低功率LED封裝組件來得有競爭力,尤其是在價格競爭激烈的LED球泡燈及LED燈管市場,中低功率LED會是主流。因此飛利浦Lumileds最近也開始供應中小功率的LED來因應照明市場的需求。歐美地區在2006年至2010年間LED封裝組件產值的市占率仍有23~24%,但2011年以后則掉到20%以下 主因是因為歐美廠商的大功率LED無法切入LED背光電視市場,同時亦不適用于像LED燈管這類照明市場,而使得市占率衰退了約5%。亞洲廠商在2009年至2011年的LED產能擴充,使得LED封裝組件價格競爭激烈,利潤變差。有鑒于此,歐美廠商大都往下游的應用發展,如美國科銳并購Ruud Lighting,而飛利浦更積極朝向提供客戶LED照明系統解決方案,希望利用其品牌及營銷通路的優勢,在LED照明市場上仍維持領先的地位。

       臺灣及大陸是目前擁有MOCVD機臺最多的地方,臺灣具有優異的磊晶及晶粒生產技術,可生產與歐美日廠商同樣質量的LED晶粒,而價格又非常有競爭力,但臺灣的市場容量小,因此大部分產出的LED晶粒及封裝組件都以外銷為主。中國大陸由于政府的補助,現在擁有的MOCVD機臺已達一千臺,居世界第一位,但由于技術差距及有經驗的人才不足,目前有許多MOCVD仍閑置或產能利用率偏低。當然,缺乏自主智慧產權,也限制了其國際市場的機會。但中國大陸擁有全世界最大的封裝產能,全世界大部份的LED照明光源及燈具也都在中國大陸生產,此外中國大陸人口多,經濟成長率高,對于LED照明的需求大,未來可能成為全世界最大的LED照明市場。兩岸如果能夠共同合作,先利用大陸內需市場的優勢,站穩腳步,進而共創國際品牌,營銷全世界,如此將能擺脫只幫國際大廠代工生產,賺取微薄利潤的宿命,兩岸的半導體照明產業就有機會在世界大放光明,做一個不一樣的半導體照明中華夢。

 

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