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LED照明业界群雄并起，逐鹿全球市场 |
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作者：日经BP社 吉田胜 来源：《电子设计应用》 |
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随着人们环保意识的提高，以及LED性能的改进和成本的降低，实现以LED为主的照明时代已不再是纸上谈兵。2009年，LED照明市场更是明显繁荣起来。
面对即将到来的普及期，在老牌照明厂商千方百计抢占LED照明市场份额的同时，许多其它行业的厂商也纷纷挺进LED照明市场，希望能够把握这一商机。这些新加入的后发企业对照明市场上的老牌厂商发起了强大的攻势，其力量不容忽视，比如，在夏普公司推出低价产品之后，LED灯泡的价格就一路下跌。面对这种现状，老牌厂商以其丰富的产品线为武器，正面迎击新兴势力。
新旧厂商群雄并起、攻防激烈，LED照明已经迎来了战国时代。
低价产品撼动市场 竞争渐入白热化
继2009年3月推出第一款4.3WLED灯泡之后，东芝照明技术公司于今年7月又推出一款全新的LED灯泡，售价仅为之前产品的一半。在夏普公司低价产品的竞争压力下，东芝别无选择。
惊人的价格
2007年12月，东芝照明技术公司推出一款小型反射灯泡型LED照明产品，采用E26灯头，亮度相当于40W白炽灯。2008年8月，该公司又推出亮度相当于60W白炽灯的LED照明产品。不过，为了满足电源电路以及热辐射表面积等的需求，这两款产品的外形尺寸都比较大，应用范围也受到了一定的限制。
2009年3月，东芝照明技术发布了一款4.3W的LED灯泡，亮度相当于40W白炽灯，厂商建议零售价(MSRP)为10500日元(100日元约合7.63元人民币)，市场价格约为8000日元。这款LED灯泡的外形和亮度与普通白炽灯泡别无二致，它的推出标志着LED灯泡的革命性进步，之前的亮度不够和应用受限的问题均得到解决。
2008年，夏普公司以低价策略进军LED照明市场。2009年6月，该公司发布了一款全新的LED灯泡，其市场价格约4000日元，仅为同类竞争产品的一半，推出后立即在市场上掀起了一股强劲的冲击波。夏普公司的这款低价产品迫使东芝照明技术于2009年7月推出亮度相当于60W白炽灯的LED灯泡，其厂商建议零售价约为5000日元，市场价格约为4000日元。与4个月前东芝推出的同类产品相比，价格大幅下降了50%(见图1和表1)。
在LED照明市场上，其它日本公司也紧随其后。2009年7月，Ecorica大幅下调了公司于同年4月推出的LED灯泡的价格，从原先的7200日元下调到3780日元；IRISOHYAMA公司也推出了售价3980日元的产品。NEC照明于2009年8月发布了一款L ED灯泡，新闻稿中称其价格具有较强的市场竞争力。10月下旬，松下公司也推出10款与竞争产品同等价位的EVERLEDS系列LED灯泡产品。
图1 LED灯泡价格下降
夏普采取低价策略的目的是希望能够尽快在LED照明市场立足。公司解释说：“夏普是LED照明市场的后来者，所以我们选择了这样一种战略价格。”显而易见，夏普是将市场份额而不是利润作为最优先考虑的因素。
灯具市场未来4年将扩大4倍
目前，日本LED照明市场诸侯纷争，其中包括老牌厂商、新兴势力以及海外公司等。他们都对未来几年LED照明市场的前景充满了信心。根据日本市调机构富士经济(Fuji Keizai)的报告，2008年～2012年，日本LED照明市场至少将扩大4倍：尽管同期日本照明市场的整体增长率仅为8.6%，但其中LED照明的市场规模将会从133亿日元增加到578亿日元，到2010年将占整体照明市场的12%(见图2)。2006年以来，全球白光LED照明市场的年增长率约为50%，2009年市场规模已经达到1600亿日元。未来几年，该市场将会加速成长，预计2012年的市场规模将增至2009年的3倍(见图3)。同时，白光LED在照明领域的应用也将大幅扩展，到2012年将占整个白光LED市场的20%以上。
图2 日本LED照明灯具市场未来4年将增长至少4倍
图3 LED照明占全球市场的20%以上
淘汰白炽灯在全球范围内已是大势所趋，并推动着LED照明市场的发展。日本经济产业省与环境省已经要求2012年前停止白炽灯的生产与销售，照明厂商正在予以合作，纷纷宣布停产日期。荧光灯是目前最常见的白炽灯替代品，但LED具有长寿命以及良好的色温特性等优点，正日益受到人们的青睐。
大公司纷纷抢占市场
由于用户期望值较高，加之市场增长迅速，2008年以来，照明市场上的老牌公司纷纷推出LED照明新品。与此同时，许多在其它行业颇有建树的大型公司也开始进入该市场。2008年9月，夏普推出低价的基础照明和聚光照明LED产品，成为进入该市场的首批公司。2008年底，电子元器件厂商罗姆(ROHM)半导体公司推出LED聚光灯；2009年春天，该公司又与一家设计公司联合开发出店面的基础照明产品。大和房屋工业公司则联合京瓷及NABESHO等公司开发出用于商业设施的LED基础照明灯具。
此外，飞利浦照明、欧司朗(OSRAM)等日本海外的领先照明厂商也都期望通过开发LED照明新品来扩大市场份额。飞利浦照明公司不仅推出了通用LED照明灯具，还推出了LED聚光灯、间接照明及其它特种照明灯具。
追赶荧光照明
为什么这么多其它行业的公司不约而同地进入LED照明市场？为什么LED照明市场如此活跃？其主要原因在于，随着LED发光效率的不断提高和价格的持续下降，再加上困扰LED照明的其它问题有所突破，目前LED照明在某些方面已经开始胜过荧光照明。松下电工照明业务本部LED元件开发中心部长大利富夫表示，LED将会在2012年左右成功超越荧光照明。
首先，对LED封装进行分析可以看出，LED的发光效率正在稳步提高。根据日本LED协会(JLEDS)于2008年公布的技术开发蓝图，2009年高效LED日光管的发光效率将达到120lm/W，2015年发光效率将超过150lm/W。业界还有人认为该目标可以提前1～2年实现。飞利浦流明(Philips Lumileds Lighting)公司日本地区副总裁山田范秀指出：“今后2～3年内，我们将推出发光效率高达150lm/W的LED产品。”日亚化学工业公司副社长兼首席运营官田崎登也表示：“我们早就实现了120lm/W～130lm/W的发光效率，发光效率高达150lm/W的产品也已量产。”
通常，电源损耗、热效应及其它因素会使照明灯具的整体发光效率下降到LED封装本身的发光效率的30%～50%，即50lm/W～70lm/W。不过，最近许多厂商都推出了整体发光效率高于80lm/W的产品。尽管还比不上发光效率接近100lm/W的高频荧光灯管，但LED发光效率的提高还是非常迅速的。
比如，2008年上市的小型反射型LED灯泡的整体发光效率仅为68lm/W(白光)，而东芝照明技术公司2009年中推出的新型LED灯泡的整体发光效率达到了81.9lm/W(见4202亿日元表1)。也就是说，在短短一年时间内，LED照明灯具的发光效率就提高了20%。如果以这种速度继续向前发展，那么，2011～2012年，LED产品的整体发光效率就将能够超过100lm/W。
另一方面，LED的价格也正在大幅下降。在某些情况下，LED照明的整体成本(照明灯具加上电费)已经优于荧光灯解决方案。对于亮度相当于60W的LED灯泡而言，40000小时寿命周期的总成本约为10000日元；同样是40000小时照明，使用白炽灯时，由于每个灯泡的寿命只有1000小时，则其总成本将超过50000日元；使用荧光灯泡时，其成本约为16000日元(见图4)。当累计照明时间超过14000小时，LED灯泡的整体成本就将优于荧光灯泡。可见，LED照明具有长期成本优势。 
图4 三种照明器具的整体成本
据日本LED协会估计：到2012年左右，LED每单位亮度的成本将下降到每流明1日元——这是进入实用化的关键目标。实际上，这个日期将有可能大幅提前。日亚化学工业公司的田崎登解释说：“目前，LED照明价格每年的下降幅度都在20%以上，我认为今后的价格下降速度不会放缓。”
厂商将逐步停止生产和销售白炽灯，LED灯具的发光效率将超过荧光灯，每流明1日元的实用化目标将会实现……综合考虑这些因素可以得出一个结论：到2012年，LED照明将大量普及。新、老照明厂商正竭力研制全新的LED照明品，迎接未来3年大幅增长的市场机遇。
技术创新打造质优价廉的LED 开启实用之门
目前，LED照明的价格是传统照明的几倍到几十倍，对于公司和普通消费者来说，门槛较高。这些产品的价格之所以高，主要是因为其关键组件——LED芯片/封装的成本较高。此外，外围电路(如电源及外壳)的成本控制也非常重要。
在亮度方面，LED灯具的整体发光效率仍不如高频荧光灯管，LED芯片厂商正通过芯片与封装架构、材料等方面的创新来提高发光效率。较高的发光效率不仅能降低封装成本，而且还可以减少发热。此外，散热性能也是至关重要的因素。如果LED封装内产生的热量可以得到高效释放，那么就可以延长LED的寿命，并提高其发光效率。
简单而便宜
普及LED照明的最大障碍就是价格。普通消费者及LED灯泡批发商要求降价的愿望非常强烈。下面将以东芝照明技术公司的LED灯泡为例分析如何降低成本。
该公司的产品采用压铸铝外壳，在外壳上方的金属基板上安装LED封装，其上放置压克力半圆球罩来散射光线。铝壳内含有用于安装电源电路板的树脂壳(见图5)。铝壳外有16个散热片，用于耗散电源以及LED封装产生的热量。
图5 LED灯泡的结构
新旧两款产品在外壳形状上没有太大差异，但新产品没有涂层，直接采用裸露的铝表面，而且省去了装饰环，从而控制了成本。
两者内部的电源电路则大不相同。在原来的产品中，树脂壳中电源电路板的内侧使用了填充剂；而在新产品中，由于电路板较大，就没有使用填充剂。工程人员将与金属基板接触的表面做薄，以扩大电源空间。此外，对于电源电路板来说，利用酚醛纸取代玻璃环氧树脂也可以降低成本。当然，较薄的外壳也有助于降低材料成本。
新旧产品的LED封装都是由日亚化学工业公司生产的。旧款LED封装包括6个并联芯片，新款则只包括3个串联芯片。这种设计上的变化减小了电源电流，从而减少了电源发热。
排列400个LED
罗姆半导体公司正致力于改进LED封装，以降低成本。该公司的小型聚光灯采用由400个LED封装组成的阵列，每个LED封装的尺寸为1.6mm×0.8mm，输出功率为0.1W。
最近，许多LED照明器件都采用1W以上的高亮度LED封装，其趋势是减少LED封装的数量。不过，罗姆公司分立模块生产总部照明分部部长四方秀明表示，该公司发现采用大量低亮度LED更便宜。
目前，通用的LED封装已批量生产，而且价格非常便宜。另外，由于每个封装内采用大量微型LED芯片，封装特性的平均变化也可保持最小。此外，该公司正在开发其它类型的LED照明，包括灯泡、基础照明和线性照明。这些产品中采用的都是输出功率0.5W、尺寸2mm×4mm的LED。LED灯泡中的LED数量超过70个，基础照明和线性照明中的LED数量则在400个以上。
散热技术促成更高的功率输出
罗姆公司之所以能够以较低的成本安装这么多低亮度芯片，是因为他们能够自己封装，并利用公司现有设备进行安装。为了降低采购、安装等成本，许多其它厂商往往倾向于使用高亮度芯片。
采用高亮度芯片时， 热源集中，因此散热非常重要。日本Multi-Task公司服部寿提醒说：“2～3年内，业界将会达到自然散热的极限。”对更亮照明的需求将会导致热量输出的不断增加。
当LED变热时，正向电压和发光效率会下降，使用寿命会缩短。高亮度封装往往会产生很多热量，需要昂贵的热阻材料，从而进一步提高成本。换言之，热辐射是影响LED发光效率、成本和寿命的关键因素。
随着高亮度封装的增加，越来越多的LED照明设计采用金属基板，与此同时，确保这些基板具有足够的散热能力也日益困难。因此，业界提出了许多新的能够高效散热的基板结构。
日本电气化学工业公司利用大和工业（Daiwa Kougyo）公司的有关技术开发出AGSP(Advanced Grade Solid-bump Process)基板技术，改进了散热性能。该结构在绝缘树脂中嵌入具有高导热率的铜柱，使得LED产生的热量能够通过铜柱传至封装外部（见图6）。只要散热器、外壳等彼此之间采用物理接触，就能够通过该方法实现高效散热。电气化学工业公司电子材料业务部长米村直己表示：“当LED灯具亮度相当于40W白炽灯时，金属基板足以解决散热问题；而当LED灯具亮度相当于100W白炽灯时，就需要采用AGSP基板技术。”铜柱的直径约为4mm，足够安装LED芯片。
图6 AGSP技术提供出色的散热性能
为了实现高热导率，高亮度LED通常会在AlN(氮化铝)基板上涂覆陶瓷和银浆，但AlN的生产成本较高。虽然AGSP的散热性能不如陶瓷基板，但其性价比较好。目前，电气化学工业公司正在进行量产评估，其目标是在2010年实现全规模的商用化运作。
虽然AGSP基板相对便宜，但仍需进一步降低成本，因为目前其成本仍是金属基板的两倍。公司希望能够改进铜柱成型技术，并实现批量生产，从而将成本降低到与金属基板相当的水平。
改进封装结构
除了增强散热性能外，提高发光效率的其它方法还包括改变芯片结构和封装以及使用新材料等。
在照明应用中采用高亮度LED封装的情况越来越多，有的是在单一封装中集成多个微型芯片，有的只采用一个大型芯片。大型芯片中，从生成到发射的光通路较长，其中的衰减会降低发光效率。通过更改芯片结构，在基板上涂覆GaN(氮化镓)层，这个问题最近已经得到解决。
欧司朗光电半导体公司开发出ThinGaN技术，可以使用激光器将蓝宝石基板从GaN基芯片上剥离下来，再贴到锗晶圆上。ThinGaNLED的光利用率较高，97%的光都能够从芯片表面发射出来。
该公司还采用芯片级转换(CLC)技术直接将荧光粉涂覆在芯片发射表面(见图7)，这样就可以从同一表面发射蓝光和黄光。当与透镜配合使用时，可以获得很好的效果。
图7 通过改进封装结构来提高发光效率
传统的GaN基蓝光LED从发射层侧面发光。与透镜配合时需要使用反射器，而反射会降低光的利用效率。此外，通常蓝光只从芯片中发出，黄光则从含有荧光粉的密封树脂中发出，这意味着蓝、黄两种颜色的光具有不同大小的光源，通常会导致色调发生变化。
2008年，欧司朗光电半导体公司推出新型Golden DRAGON Plus封装技术，改进了密封树脂的形状。公司采用透明的树脂，并将其表面加工为凸透镜的形状(见图7)。透镜形状的表面可以使树脂-空气界面的全反射最小，从而将树脂层的光输出提高10%～15%。
便宜的纳米刻蚀
日本SCIVAX公司通过利用纳米印刷技术对芯片侧壁及层间界面等进行刻蚀，提高了光输出效率。该公司采用直径仅数百纳米的特殊模具对光线进行折射，以防止来自发射层的光线在空气界面出现反射(见图8)。
图8 利用表面刻蚀技术提高亮度和发光效率
纳米刻蚀芯片表面的想法在几年前就被提出，有些LED芯片厂商已经在采用该技术。SCIVAX公司副总裁奥田德路解释了其能以低成本提高发光效率的原因：“传统技术很难处理大面积晶圆，但利用纳米印刷技术后，处理单一LED晶圆的成本即可降至仅几百日元。”
首先将树脂旋转涂覆在LED晶圆的p型GaN层表面，然后将带有凹凸图案的硅模片压在树脂上，再利用离子刻蚀从p型GaN上剥离GaN，以显示出凹凸图案。图案中微细孔洞的深度和直径约为200nm，需要进行优化以匹配具体特性(如光波长及芯片成分)。
仿真结果表明： 该技术可以使LED芯片发光亮度提高20%～30%。此外，在发光层形成以前，也可以将该工艺用于蓝宝石基板，从而抑制蓝宝石与缓冲膜界面的反射。该公司指出，在GaN晶体生长期间，采用该工艺还可以减少晶格缺陷。
发光效率提高3倍
最近，日本三菱化学公司宣布进入LED照明市场，希望通过采用由新型m面GaN(m-plane GaN)基板材料制造的芯片来大幅提高发光效率。2008年，该公司并购了三菱电缆工业公司的LED部门；2009年1月，公司又与美国Cree公司签订了关于m面GaN技术的授权协议。工程师认为m面GaN基板优于目前普遍使用的蓝宝石基板。三菱化学公司信息电子本部SSLD推进业务规划组负责人川名真表示：“m面GaN技术可以使发光效率提高3倍，达到200lm/W～300lm/W。”该公司计划利用该技术为白光LED提供高显色性和高发光效率，并将与照明厂商通力合作，生产和销售LED灯具。
也有其它公司正在开发m面GaN基板LED，但都遇到了生产率低和成本高的难题。三菱化学公司则采用了成本相对较低的液相生长技术。据该公司的川名真透露，到2015年，其制造成本有望降低到与蓝光LED芯片相当的水平。
三菱化学公司目前采用的是传统的LED封装，其中包括蓝光LED与黄色荧光粉(见图9)。公司下一步将利用其荧光粉专用技术，将红色、绿色荧光粉与蓝光LED相结合，打造具有高显色性的LED封装。目前这类封装的发光效率较低，公司希望通过改进荧光粉，在2010年实现100lm/W的发光效率。 
图9 采用近紫外LED实现高发光效率和高显色性
m面GaN基底也是未来LED的理想选择。为了提高发光效率，并提供良好的显色性，三菱化学公司的工程师正在尝试将近紫外LED与红色、绿色及蓝色荧光粉进行组合。该公司计划于2009财年底推出样片，2011年开始量产。
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(1/6/2010) |
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