打开LED通用照明关键：LED成本降低技术趋势分析
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目前全球照明市场约850亿美元(含光源、灯具、镇流器等电子件)，而LED照明比例仅为10%。随着LED成本的下降，还有接受度的广泛成熟，预计2015年全球LED照明比例将达到50%左右，届时LED照明有望成为全球逾500亿美元的产业，而到2020年LED照明的渗透率将达到80%。打开LED通用照明的关键在于降低LED灯具的成本，而如何降低LED成本就成为值得讨论的话题。
2009～2020年LED照明市场规模及渗透率预估
Source：拓墣产业研究所整理，2012/05
一. LED通用照明时代即将到来 近年LED系统成本的不断下降和技术的加速进步，已使LED照明具备了实质性的应用基础。在技术方面，2011年LED灯具在降低色温、提高显色指数、增强稳定性等方面取得了长足的进步，发光质量已经可以超过荧光灯等传统光源，性能上达到了实际应用的要求。在成本方面，器件价格的降低和灯具设计水平的提高，大幅降低了系统成本，如以全生命周期成本(包括材料制备、产品制造、应用期间电费等)衡量，LED相对传统灯具已经具备了成本优势。 目前全球照明市场约850亿美元(含光源、灯具、镇流器等电子件)，而LED照明比例仅为10%。随着LED成本的下降，接受度的广泛成熟，预计2015年全球LED照明比例将达到50%左右，届时LED照明有望成为全球逾500亿美元的产业，而到2020年LED照明的渗透率将达到80%。全球照明大厂Philips、Osram、GE等对LED照明的前景一致乐观，并预计在2020年将是LED通用照明的时代。
图一 2009～2020年LED照明市场规模及渗透率预估
Source：拓墣产业研究所整理，2012/05
全球市场目前主要使用的仍然为白炽灯，2012年对白炽灯的全面禁用将腾挪出庞大的市场空间。白炽灯禁用后的空间将由荧光灯、LED灯共同替代，激增的市场空间将给LED照明市场带来爆发式的增长。
图二 2012年全球各地区白炽灯禁用政策
Source：拓墣产业研究所整理，2012/05
二. 成本降低成为LED照明普及之关键 目前制约LED照明广泛应用的关键仍然是成本问题，照明灯具的全部成本由3个部分构成：购买成本、电力成本及维护成本。以能够提供800lm光通量的灯具来看，白炽灯的购买成本最具竞争力，其售价在1美元以下，节能灯在3～5美元左右，而一支品牌LED球泡灯却可以卖到40美元。由此看出LED灯泡的竞争力无法表现，但是综合考虑电力成本及维护成本后，LED灯泡与CFL的竞争力已经不相上下。
图三 白炽灯、CFL、LED灯泡(40美元)使用成本分析
Source：拓墣产业研究所整理，2012/05
打开LED通用照明的关键是LED灯具相较于传统照明，尤其相较CFL要具备明显的成本优势。如果LED灯泡购买价格由40美元下降到10美元，从全生命周期的成本来看，LED灯泡与CFL比较起来，具有明显的优势。
图四 白炽灯、CFL、LED灯泡(10美元)使用成本分析
Source：拓墣产业研究所整理，2012/05
因此，如何降低LED灯具成本成为了值得讨论的话题。根据美国能源部(DOE)的拆解分析，LED灯具的成本构成中，以LED封装器件所占比例为最大，约45%，热学及机械构件占20%，驱动IC占比19%，光学组件占比11%，组装占5%。
图五 LED灯具成本拆解分析
Source：DOE SSL；拓墣产业研究所整理，2012/05
LED灯具中最核心的组件－LED封装器件，其成本又可以继续拆分，包括衬底、外延、芯片、荧光粉及封装等。随着技术的提升，LED封装器件的成本将有非常大的下降空间，预计到2020年将会下降90%。
图六 LED封装器件成本下降趋势
Source：DOE SSL；拓墣产业研究所整理，2012/05
三. LED器件成本下降趋势分析 根据LED器件成本的计算公式Cost=$/Lumen，降低成本的关键性挑战可以从两方面入手：(1)降低LED的制造成本；(2)提高LED性能间接降低成本。 (一) 提升制造效率，降低成本 1. 向更大尺寸晶圆转换 LED器件的成本受制造技术影响很大，目前MOCVD设备反应器的生产量和晶圆产能是改善成本最重要的关联参数，采取更大尺寸晶圆可以有效提高产能提升工艺效率。 MOCVD设备是LED制造过程中最关键的外延设备，从图七也可以看到MOCVD的设备反应器容量不断增大，代表着一台设备的产能在不断提高，并且能够容纳更大尺寸晶圆。以Aixtron的MOCVD设备来看，已经从2000年的11×2吋及6×2吋机型演变到2010年的56×2吋及69×2吋机型，甚至可以兼容6吋及8吋晶圆的生产。
图七 MOCVD设备反应器容量演变
Source：Aixtron；拓墣产业研究所整理，2012/05
为什么要转向更大尺寸晶圆生产呢？以Aixtron的AIX G5 HT为例，可以容纳56×2吋/14×4吋/8×6吋/5×8吋不同数量不同尺寸的晶圆。首先来看56×2吋与14×4吋的比较情况，2种尺寸晶圆片的总面积相同为(42×14)=(22×56)。但考虑到Edge Exclusion(质量保证区和晶圆片外围之间的距离)，4吋晶圆有效产能是2吋晶圆的1.14倍，即采用4吋晶圆后有效产能增加了14%。从芯片工艺(Chip Process)阶段来看，假设4吋晶圆的芯片工艺处理时间是2吋晶圆的1.5倍，是为(42/1.5)/(22/1)=2.7，同一设备的芯片吞吐量(Throughput)提高了2.7倍。 同理，2吋晶圆转换为6吋晶圆后，有效产能增加了53%；假设6吋晶圆的芯片工艺处理时间是2吋晶圆的2倍，同一设备的芯片吞吐量提高了4.5倍。2吋晶圆转换为8吋晶圆后，有效产能将增加74%；假设8吋晶圆的芯片工艺处理时间是2吋晶圆的2.5倍，同一设备的芯片吞吐量提高了6.4倍。 以上分析可以看出，小尺寸晶圆向大尺寸晶圆转换过程中，将大大提高晶圆片产能及LED芯片吞吐量，从设备投资、运转损耗及芯片工艺的角度都会大大降低LED制造的成本。 目前市场上的蓝宝石衬底仍然以2吋占多数，而随着技术的提升及成本下降的要求，2吋所占比重将越来越小，逐渐会以大尺寸衬底为主。预计到2015年，4吋和6吋蓝宝石衬底将成为主流，而到2020年6吋蓝宝石衬底将占据统治地位。
图八 2008～2020年LED蓝宝石衬底尺寸发展趋势
Source：Technology Market Report；拓墣产业研究所整理，2012/05
2. 硅衬底的规模化生产 目前全球各大主流厂商的LED衬底都是采用蓝宝石，Cree采用的是成本相对高昂的碳化硅。蓝宝石衬底及碳化硅衬底可以做到2吋、4吋及6吋的尺寸，但是却面临着尺寸继续增大及良率的挑战；另一方面，大尺寸衬底居高不下的成本，尤其是碳化硅衬底，也是降低LED成本所面临的难题。 而硅衬底可以相对容易实现8吋晶圆的制造，只是由于与氮化镓晶格匹配较大，工艺尚未成熟而还没能实现量产。 相较于传统LED主要是以蓝宝石或碳化硅基板为原料，目前这两种传统基板都比硅基板昂贵许多，然而在直径更大、成本低廉的硅晶圆上长成氮化镓，并采用与现代LED照明生产线兼容的制程。根据Bridgelux的估测，其成本会比现有制程减少75%、硅衬底GaN LED的成本优势相较蓝宝石衬底LED非常明显，以每千流明美元计算的话，预计到2015年蓝宝石衬底LED的价格为0.7美元，而硅衬底可实现0.4美元。
图九 2011～2015年硅衬底与蓝宝石衬底LED的价格比较
Source：Bridgelux；拓墣产业研究所整理，2012/05
硅衬底氮化镓LED一旦实现量产，将彻底打破目前LED行业的格局。虽然目前白光LED霸主均是以蓝宝石衬底和碳化硅衬底为主，但是各大厂也都在积极进行硅衬底LED的研发，包括Bridgelux、Osram、Lumileds、Lattice Power、Samsung等厂商，其中Bridgelux和Samsung实验水平可达到8吋硅晶圆上制备氮化镓LED的能力。目前硅衬底氮化镓LED仍然处于研发阶段，良率尚不稳定，Bridgelux预计将会在2013年推出相关产品。
表一 硅衬底氮化镓LED主要厂商研发状况比较
Source：Bridgelux；拓墣产业研究所整理，2012/05
(二) 提升LED器件性能，间接降低成本 根据LED成本计算公式Cost=$/Lumen，另一个降低成本的方式就是提高Lumen值，即提高LED器件的光效水平(lumen/W)，相同的制造成本下能够得到更多的光(lumen)。 目前全球知名大厂的量产光效都达到了120lm/W以上，分别有Philips 125lm/W、Samsung 133lm/W、Nichia 133lm/W、Osram 136lm/W、Cree 160lm/W。而目前LED的实验室最高光效仍然由Cree保持，2012年4月最新记录是254lm/W。
表二 国际LED芯片大厂白光LED光效水平
Source：各厂商；拓墣产业研究所整理，2012/05
以美国LED大厂Cree的光效研发历程来看，Cree一直是白光功率型LED的领导者，不论是其目前可以量产的161lm/W光效水平，还是再一次打破记录的254lm/W研发水平，都是业界最高水平。Cree研发记录的宣布基本上时隔1年，2010年初宣布研发光效达到208lm/W，2011年初宣布达到231lm/W，2012年初宣布再次突破254lm/W，其记录不断被刷新，意味着LED光效不断提升深具潜力，也成为其它各大LED芯片厂商不断追赶的目标。根据Cree的经验，实验室研发结果经过3年后可以转为量产，即2013年LED量产光效将迈进200lm/W等级水平。 随着光效水平的不断提高与突破，所对应的LED器件价格也相对下降，每推出一个LED新品器件，$/lm都会大幅地下降，降幅在30～50%之间。此现象意味着，或许单颗LED器件的成本并未有明显的下降，但是单位流明(lm)所需要的美元($)却降幅明显，这也间接降低了LED器件的成本。
图十 LED器件性能提升推动成本下降
Source：Cree；拓墣产业研究所整理，2012/05
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目前全球照明市场约850亿美元(含光源、灯具、镇流器等电子件)，而LED照明比例仅为10%。随着LED成本的下降，还有接受度的广泛成熟，预计2015年全球LED照明比例将达到50%左右，届时LED照明有望成为全球逾500亿美元的产业，而到2020年LED照明的渗透率将达到80%。打开LED通用照明的关键在于降低LED灯具的成本，而如何降低LED成本就成为值得讨论的话题。
2009～2020年LED照明市场规模及渗透率预估
Source：拓墣产业研究所整理，2012/05
一. LED通用照明时代即将到来 近年LED系统成本的不断下降和技术的加速进步，已使LED照明具备了实质性的应用基础。在技术方面，2011年LED灯具在降低色温、提高显色指数、增强稳定性等方面取得了长足的进步，发光质量已经可以超过荧光灯等传统光源，性能上达到了实际应用的要求。在成本方面，器件价格的降低和灯具设计水平的提高，大幅降低了系统成本，如以全生命周期成本(包括材料制备、产品制造、应用期间电费等)衡量，LED相对传统灯具已经具备了成本优势。 目前全球照明市场约850亿美元(含光源、灯具、镇流器等电子件)，而LED照明比例仅为10%。随着LED成本的下降，接受度的广泛成熟，预计2015年全球LED照明比例将达到50%左右，届时LED照明有望成为全球逾500亿美元的产业，而到2020年LED照明的渗透率将达到80%。全球照明大厂Philips、Osram、GE等对LED照明的前景一致乐观，并预计在2020年将是LED通用照明的时代。
图一 2009～2020年LED照明市场规模及渗透率预估
Source：拓墣产业研究所整理，2012/05
全球市场目前主要使用的仍然为白炽灯，2012年对白炽灯的全面禁用将腾挪出庞大的市场空间。白炽灯禁用后的空间将由荧光灯、LED灯共同替代，激增的市场空间将给LED照明市场带来爆发式的增长。
图二 2012年全球各地区白炽灯禁用政策
Source：拓墣产业研究所整理，2012/05
二. 成本降低成为LED照明普及之关键 目前制约LED照明广泛应用的关键仍然是成本问题，照明灯具的全部成本由3个部分构成：购买成本、电力成本及维护成本。以能够提供800lm光通量的灯具来看，白炽灯的购买成本最具竞争力，其售价在1美元以下，节能灯在3～5美元左右，而一支品牌LED球泡灯却可以卖到40美元。由此看出LED灯泡的竞争力无法表现，但是综合考虑电力成本及维护成本后，LED灯泡与CFL的竞争力已经不相上下。
图三 白炽灯、CFL、LED灯泡(40美元)使用成本分析
Source：拓墣产业研究所整理，2012/05
打开LED通用照明的关键是LED灯具相较于传统照明，尤其相较CFL要具备明显的成本优势。如果LED灯泡购买价格由40美元下降到10美元，从全生命周期的成本来看，LED灯泡与CFL比较起来，具有明显的优势。
图四 白炽灯、CFL、LED灯泡(10美元)使用成本分析
Source：拓墣产业研究所整理，2012/05
因此，如何降低LED灯具成本成为了值得讨论的话题。根据美国能源部(DOE)的拆解分析，LED灯具的成本构成中，以LED封装器件所占比例为最大，约45%，热学及机械构件占20%，驱动IC占比19%，光学组件占比11%，组装占5%。
图五 LED灯具成本拆解分析
Source：DOE SSL；拓墣产业研究所整理，2012/05
LED灯具中最核心的组件－LED封装器件，其成本又可以继续拆分，包括衬底、外延、芯片、荧光粉及封装等。随着技术的提升，LED封装器件的成本将有非常大的下降空间，预计到2020年将会下降90%。
图六 LED封装器件成本下降趋势
Source：DOE SSL；拓墣产业研究所整理，2012/05
三. LED器件成本下降趋势分析 根据LED器件成本的计算公式Cost=$/Lumen，降低成本的关键性挑战可以从两方面入手：(1)降低LED的制造成本；(2)提高LED性能间接降低成本。 (一) 提升制造效率，降低成本 1. 向更大尺寸晶圆转换 LED器件的成本受制造技术影响很大，目前MOCVD设备反应器的生产量和晶圆产能是改善成本最重要的关联参数，采取更大尺寸晶圆可以有效提高产能提升工艺效率。 MOCVD设备是LED制造过程中最关键的外延设备，从图七也可以看到MOCVD的设备反应器容量不断增大，代表着一台设备的产能在不断提高，并且能够容纳更大尺寸晶圆。以Aixtron的MOCVD设备来看，已经从2000年的11×2吋及6×2吋机型演变到2010年的56×2吋及69×2吋机型，甚至可以兼容6吋及8吋晶圆的生产。
图七 MOCVD设备反应器容量演变
Source：Aixtron；拓墣产业研究所整理，2012/05
为什么要转向更大尺寸晶圆生产呢？以Aixtron的AIX G5 HT为例，可以容纳56×2吋/14×4吋/8×6吋/5×8吋不同数量不同尺寸的晶圆。首先来看56×2吋与14×4吋的比较情况，2种尺寸晶圆片的总面积相同为(42×14)=(22×56)。但考虑到Edge Exclusion(质量保证区和晶圆片外围之间的距离)，4吋晶圆有效产能是2吋晶圆的1.14倍，即采用4吋晶圆后有效产能增加了14%。从芯片工艺(Chip Process)阶段来看，假设4吋晶圆的芯片工艺处理时间是2吋晶圆的1.5倍，是为(42/1.5)/(22/1)=2.7，同一设备的芯片吞吐量(Throughput)提高了2.7倍。 同理，2吋晶圆转换为6吋晶圆后，有效产能增加了53%；假设6吋晶圆的芯片工艺处理时间是2吋晶圆的2倍，同一设备的芯片吞吐量提高了4.5倍。2吋晶圆转换为8吋晶圆后，有效产能将增加74%；假设8吋晶圆的芯片工艺处理时间是2吋晶圆的2.5倍，同一设备的芯片吞吐量提高了6.4倍。 以上分析可以看出，小尺寸晶圆向大尺寸晶圆转换过程中，将大大提高晶圆片产能及LED芯片吞吐量，从设备投资、运转损耗及芯片工艺的角度都会大大降低LED制造的成本。 目前市场上的蓝宝石衬底仍然以2吋占多数，而随着技术的提升及成本下降的要求，2吋所占比重将越来越小，逐渐会以大尺寸衬底为主。预计到2015年，4吋和6吋蓝宝石衬底将成为主流，而到2020年6吋蓝宝石衬底将占据统治地位。
图八 2008～2020年LED蓝宝石衬底尺寸发展趋势
Source：Technology Market Report；拓墣产业研究所整理，2012/05
2. 硅衬底的规模化生产 目前全球各大主流厂商的LED衬底都是采用蓝宝石，Cree采用的是成本相对高昂的碳化硅。蓝宝石衬底及碳化硅衬底可以做到2吋、4吋及6吋的尺寸，但是却面临着尺寸继续增大及良率的挑战；另一方面，大尺寸衬底居高不下的成本，尤其是碳化硅衬底，也是降低LED成本所面临的难题。 而硅衬底可以相对容易实现8吋晶圆的制造，只是由于与氮化镓晶格匹配较大，工艺尚未成熟而还没能实现量产。 相较于传统LED主要是以蓝宝石或碳化硅基板为原料，目前这两种传统基板都比硅基板昂贵许多，然而在直径更大、成本低廉的硅晶圆上长成氮化镓，并采用与现代LED照明生产线兼容的制程。根据Bridgelux的估测，其成本会比现有制程减少75%、硅衬底GaN LED的成本优势相较蓝宝石衬底LED非常明显，以每千流明美元计算的话，预计到2015年蓝宝石衬底LED的价格为0.7美元，而硅衬底可实现0.4美元。
图九 2011～2015年硅衬底与蓝宝石衬底LED的价格比较
Source：Bridgelux；拓墣产业研究所整理，2012/05
硅衬底氮化镓LED一旦实现量产，将彻底打破目前LED行业的格局。虽然目前白光LED霸主均是以蓝宝石衬底和碳化硅衬底为主，但是各大厂也都在积极进行硅衬底LED的研发，包括Bridgelux、Osram、Lumileds、Lattice Power、Samsung等厂商，其中Bridgelux和Samsung实验水平可达到8吋硅晶圆上制备氮化镓LED的能力。目前硅衬底氮化镓LED仍然处于研发阶段，良率尚不稳定，Bridgelux预计将会在2013年推出相关产品。
表一 硅衬底氮化镓LED主要厂商研发状况比较
Source：Bridgelux；拓墣产业研究所整理，2012/05
(二) 提升LED器件性能，间接降低成本 根据LED成本计算公式Cost=$/Lumen，另一个降低成本的方式就是提高Lumen值，即提高LED器件的光效水平(lumen/W)，相同的制造成本下能够得到更多的光(lumen)。 目前全球知名大厂的量产光效都达到了120lm/W以上，分别有Philips 125lm/W、Samsung 133lm/W、Nichia 133lm/W、Osram 136lm/W、Cree 160lm/W。而目前LED的实验室最高光效仍然由Cree保持，2012年4月最新记录是254lm/W。
表二 国际LED芯片大厂白光LED光效水平
Source：各厂商；拓墣产业研究所整理，2012/05
以美国LED大厂Cree的光效研发历程来看，Cree一直是白光功率型LED的领导者，不论是其目前可以量产的161lm/W光效水平，还是再一次打破记录的254lm/W研发水平，都是业界最高水平。Cree研发记录的宣布基本上时隔1年，2010年初宣布研发光效达到208lm/W，2011年初宣布达到231lm/W，2012年初宣布再次突破254lm/W，其记录不断被刷新，意味着LED光效不断提升深具潜力，也成为其它各大LED芯片厂商不断追赶的目标。根据Cree的经验，实验室研发结果经过3年后可以转为量产，即2013年LED量产光效将迈进200lm/W等级水平。 随着光效水平的不断提高与突破，所对应的LED器件价格也相对下降，每推出一个LED新品器件，$/lm都会大幅地下降，降幅在30～50%之间。此现象意味着，或许单颗LED器件的成本并未有明显的下降，但是单位流明(lm)所需要的美元($)却降幅明显，这也间接降低了LED器件的成本。
图十 LED器件性能提升推动成本下降
Source：Cree；拓墣产业研究所整理，2012/05
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