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电子元件:发光二极管产业 绿色产业风头正劲

 LED是半导体二极管的一种,它能将电能转化为光能,发出黄、绿、蓝等各种颜色的可见光及红外和紫外不可见光。与小白炽灯泡及氖灯相比,它具有工作电压和电流低、可靠性高、寿命长且可方便调节发光亮度等优点。

  头顶环保节能耀眼光环:大功率高亮度及白光LED具有三大突出优点(高效节能、寿命长、绿色环保),应用领域不断扩大。发展LED产业符合我国倡导节能减排政策,“十一五”规划中国家将绿色照明列于十大节能工程首位。

  LED行业处于快速成长阶段,2010年再现增长拐点:自2000年以来手机背光源的应用引发LED的爆发性成长以来,LED逐渐进入汽车、大中尺寸液晶面板背光源、特殊照明等领域并获得了快速成长,应用领域进一步扩大;广阔的照明市场将成为LED产业前进的强力引擎,全球各国纷纷制订半导体照明促进计划,并确定了白炽灯泡退市具体日期,LED照明大规模应用指日可待。现在LED技术超过规划速度发展,最高水平已达普通照明要求,万事俱备只欠成本进一步降低。我们预计2010年将是LED照明获得突破性进展的一年。

  国内LED企业机遇挑战并存:2010年LED行业许多专利将逐渐到期,国内企业有望突破欧美日本巨头的知识产权枷锁,利用国内庞大的市场基础和丰富的劳动力资源,在全球LED产业占据一席之地。

  首次推荐评级:LED产业资金技术集中于产业上游,上市公司中我们看好业务涉及产业链上端、议价能力较强的联创光电、三安电子和士兰微;而考虑LED应用市场的巨大潜力,我们同时还看好LED应用型企业方大A和同方股份。

  风险提示:虽然短期来看OLED具有寿命低等技术缺陷和成本高昂的劣势,但被OLED侵占市场的风险依然存在。

  1、LED的原理和应用

  LED基本原理

  发光二极管(LED)是由三五族化合物半导体为材料制成的光电元件,其核心是PN结。正向电压下,电子由N区注入P区,空穴由P区注入N区,进入对方的区域的部分少数载流子与多数载流子复合而发光。形成PN结的材料性质(禁带宽度)决定了发出光的波长,对于可见光来说,即决定了光的颜色。

  LED的主要特点有:体积小、耗电量低、使用寿命长、高亮度低热量、环保耐用等特点。在适当的电流和电压下工作,LED的使用寿命可长达10万小时。

  LED的分类和应用

  根据所发出的光的类型,LED可分为可见光LED和不可见光LED两种。

  可见光LED包括红、橙、黄、绿、蓝、紫光LED。其中红光LED材料以GaP(二元系)、AlGaAs(三元系)和AlGaInP(四元系)为主;蓝/白光LED材料以GaN为主。

  LED的应用非常广泛,主要包括:

  1、LED显示屏:室内外广告牌、体育计分牌、信息显示屏等;
  2、信号指示灯:全国各大、中城市的市内交通信号灯、高速公路、铁路和机场信号灯,电子设备功能指示;
  3、光色照明:室外景观照明和室内装饰照明;
  4、专用普通照明:便携式照明(手电筒、头灯)、低照度照明(廊灯、门牌灯、庭用灯)、阅读照明(飞机、火车、汽车的阅读灯)、显微镜灯、照相机闪光灯、台灯、路灯;
  5、安全照明:矿灯、防爆灯、应急灯、安全指标灯;
  6、背光源:液晶显示器、液晶电视背光源。
  7、汽车用灯:包括车内照明和车外照明,车内包括仪表板、电装产品指示灯(开关、音响等)、开关背光源、阅读灯以及外部刹车灯、尾灯、侧灯及头灯等。
  8、其它应用:消费用,如儿童闪光鞋、圣诞树LED灯等。

  LED产业链

  LED产业链从上游到下游行业的进入门槛逐步降低。上游为单晶片及其外延,中游为LED芯片加工,下游为封装测试以及应用。其中,上游和中游技术含量较高,资本投入密度大,为国际竞争最激烈、经营风险最大领域。在LED产业链中,LED外延片与芯片约占行业70%利润,LED封装约占10~20%,而LED应用大概也占10~20%。

  单晶片为制造LED的基底,也称作衬底,多采用蓝宝石、碳化硅、GaAs、GaP为材料。外延片为在单晶上生长多层不同厚度的单晶薄膜,如AlGaAs、AlGaInP、GaInN等,用以实现不同颜色或波长的LED。常见的外延方法有液相外延法(LPE)、气相外延法(VPE)以及金属有机化学汽相沉积(MOCVD)等,其中VPE和LPE技术都已相当成熟,可用来生长一般亮度LED。而生长高亮度LED必须采用MOCVD方法。目前全球MOVCD的主要制造厂家为德国的AIXTRON公司和美国VEECO公司,前者约占60%~70%的国际市场份额,后者占据30%~40%。日本厂家生产的设备基本限于日本国内销售。

  中游主要是芯片设计和加工。中游厂商根据LED的性能需求进行器件结构和工艺设计,通过外延片扩散、然后金属镀膜,再进行光刻、热处理、形成金属电极,接着将基板磨薄抛光后进行切割。

  下游包括LED芯片的封装测试和应用。LED封装是指将外引线连接到LED芯片的电极上,形成LED器件,封装起着保护LED芯片和提高光取出效率的作用。LED封装技术是从半导体分立器件的封装技术基础上发展而来。目前LED产品的封装类型主要有Lamp型、插入式(ThroughHole)、表面安装型(SMD)、直接粘接式(DirectBonding)等。其中SMD型LED体积比其它传统型LED小,因此SMD型主要用于手机屏幕背光源及手机按键,受手机需求影响较大。

  2、全球LED产业介绍

  2007年全球LED市场总额超过60亿美元,较上年增长大约13.7%。根据isuppli公司的报告预测,2006年到2012年间,LED全球市场的年复合增长率将达14.6%。其中增长的主要部分是超高亮度和高亮度LEDs。Isuppli预计到2012年LED市场总额将达到123亿美元,其中超高亮度LEDs将占据LED总体收入的31%。

  全球LED产业主要分布在日本、中国台湾地区、欧美、韩国和中国大陆等国家与地区。其中日本约占据50%的份额,是全球LED产业最大生产国,其动向几乎为LED行业的指针。日本的日亚化学(Nichia)是全球最大的高亮度LED供货商,丰田合成(ToyodaGosei)是全球第四、日本第二大高亮度LED生产厂商。欧美地区的欧司朗(OsramOpto)为全球第二大也是欧洲最大高亮度LED厂商。我国台湾地区产值第二。

  由于台湾是全球消费电子产品生产基地,其LED业以可见光LED为主,目前是全球第一大下游封装及中游芯片生产地。

  2006年到2008年LED的成长来源主要是手机背光源、汽车照明、特殊照明(如景观照明、LED显示屏、交通信号灯等)及15寸以下液晶面板的背光源,液晶显示器和液晶电视(LCD)面板的背光源在2008年出现大规模量产。据StrategiesUnlimited统计,2007年全球LED照明市场猛增60%,达到3.3亿美元。该公司预计2012年该市场总额将达14亿美元。

  专利竞争

  随着LED技术的快速进步及市场的不断扩大,国际上相当重视LED知识产权的保护和测试标准的制订,主要厂商利用专利优势,企图通过设置专利壁垒和制订行业标准来控制市场。日本和欧美企业盘踞产业高端,手中握有大量专利,新兴地区如台湾、韩国企业不断遭遇日本及欧美公司的专利诉讼,处于被动局面。日本的日亚化学公司在2002年前,凭着其十年来研发取得的涵盖LED结构、外延、封装和工艺以及荧光粉等相关原材料的专利权,在LED市场拥有相当的垄断地位。预计全球LED领域的产品、技术的竞争将随着市场的扩大而更为激烈。

  不过由于20年专利期限将到,许多LED专利的将于2010年逐渐失效。届时原有的产业专利结构将出现较大调整。新兴厂商有望获得新的发展契机。现在持有大量专利技术的LED大厂纷纷展开相互授权的方式来规避专利问题,并利用原有的规模优势,大力开发新的专利技术。因此对于新兴业者如国内LED厂商而言,专利到期既是机遇又是挑战。国内拥有外延、LED芯片设计和制造等上游技术能力的厂商,更有希望抓住机遇,在外延衬底及芯片技术上取得突破,扭转不利的专业格局,成为LED产业新一波重组趋势的受益者。

  节能环保,大势所趋

  相同亮度下LED耗电仅为白炽灯的1/8,节能灯的1/2,寿命更能延长近100倍,可达10万小时;若普通照明全部采用LED灯,我国每年可节约用电近千亿度,相当于一个三峡工程的发电量。此外,LED中不含汞、铅等有害元素,光线中不含紫外线和红外线,对人体无害。

  欧盟著名的三大电子产品环保法令对电子产品的环保性做出了硬性规定。《报废电子电器设备指令》(WEEE)于2005年8月正式实施,目的是减少电器废弃量,增加废旧电器的再生使用,改善环境。《关于制定用能产品环保设计要求框架指令》(EuP)是2005年7月22日发布并于发布之日起20天后生效。该指令覆盖范围广泛,欧盟委员会将根据EuP指令陆续对诸如供暖及热水设备、电动马达系统、家具及商业场所照明系统、家用及办公室用办公设备、个人电子产品等用能产品制订具体的实施措施。

  《关于限制在电子电器设备中使用某些有害成分的指令》(RoHS)已于2006年7月正式开始实施,主要目的在于消除电子电机产品中的铅、水银(汞)、镉、六价铬、多溴联苯(PBB)和多溴二苯醚(PBDE)共六项物质;根据RoHS指令,含有铅的普通照明光源(如荧光照明)将于2011年停止使用。

  此外,2005年2月全球149个国际和地区通过的《京都议定书》开始生效,其目标是在2008年至2012年间将已开发国家的二氧化碳、甲烷、一氧化氮等六种温室气体排放量在1990年的基础上平均削减5.2%。

  LED灯不含铅和汞等有害物质,无频闪,属于绿色光源;并且采用LED照明可大幅减少电力需求,进一步减少温室气体排放。随着全球节能环保意识的加强,节能减排的议题不断强化。世界很多国家和地区纷纷出台政策,扶持半导体照明产业的发展。环保节能的LED产业将大放异彩。

  3、国内LED产业发展概况

  经过30多年发展,我国LED产业已初步形成较为完整的产业链,涵盖了LED衬底、外延片、芯片封装及应用的各个环节。目前国内LED产业链中,外延和芯片环节发展相对滞后。国内从事LED外延片生产的企业仅10家左右,而从事LED芯片生产的厂商业也不多,产能集中度较高。主要原因是国内缺乏自主知识产权和核心技术,生产设备落后且科研成果产业化不顺畅。MOCVD是制作LED外延片的关键设备,而我国MOCVD设备制造属于技术跟踪阶段,无法适应生产。进口的生产型MOCVD设备售价高达1千到2千万人民币,这在一定程度上限制了国内上游产业的发展。2007年12月我国MOCVD总量80多台,其中生产型GaNMOCVD有50多台、四元系MOCVD10台左右。根据各产商投资计划,2008年我国预计新增MOCVD超过40台,国内外延芯片产能规模将有较大提升。

  根据我国光学光电子协会的统计,2007年我国芯片产值为15亿元,比2006年的10.5亿元增长43%。预计未来几年国内芯片产能平均增长率将在30%以上。2006年我国LED器件封装市场为146亿元人民币,2007年增长15%,达到了168亿元。2007年我国LED应用产品市值已经超过300亿美元,预计2008年LED应用市场规模将达到540亿元。其中,我国2006年高亮度LED市场为90亿元,预计2010年将增长到280亿元。预计到2008年,国内LED产业产值将超过1500亿元。

  LED外延片和芯片对技术要求极高,国内在这两方面同国际先进水平还有一定差距。目前国内外延片和芯片的产量有限,外延片产量仅能满足封装企业需求量的20%至30%,大陆很多芯片厂商须向国外和台湾地区购买外延片进行加工。国内LED外延和芯片的主要企业有:厦门三安、大连路美、杭州士兰明芯、上海蓝光、深圳方大、江西联创、深圳世纪晶源、同方股份等。

  2007年我国LED应用产品的产值已经超过300亿元,已成为LED全彩显示屏、太阳能LED、景观照明等应用产品的全球最大生产与出口国。根据专业咨询机构StrategiesUnlimited预测,2008年我国LED应用市场规模将达到540亿元。我国LED显示屏是LED的主要应用市场,广泛应用于车站、银行、医院等公共场所。2006年我国LED显示屏市场需求额为40.5亿元,比2005年增长25.1;2007年全国LED显示屏的市场规模达到了72亿元。

  景观照明是LED照明的最大应用市场,所占份额约为43%。由于LED照明节能环保,替代传统霓虹灯能够节电60%~70%,因此市场份额不断扩大。受2008北京奥运会和2010年上海世博会的推动,我国LED景观照明在2007年市场增速达到了高峰。此外,超高亮、大功率LED器件已在我国城市交通信号灯中得到了广泛采用。随着全国城市化进程和道路市政建设的发展,新建交通路口不断增加,传统的交通信号灯被LED信号灯更新换代。预计国内道路交通LED信号灯市场将达数十亿元。此外高速公路指示灯、机场铁路航运等领域的信号、标识类用等,也存在很大市场潜力。

  我国部分地区已开始进行路灯采用LED光源的改造试验,一旦时机成熟即向全国推广。台湾光学产业技术发展联盟预计全球LED街灯的市场规模在今年将达到10.4亿美元,中国市场为5.6亿美元左右。我国路灯行业统计近几年的增长率在20%以上。

  2003年中国半导体照明工作小组的成立,表明政府对于LED在照明领域的发展寄予厚望,LED作为光源进入通用照明市场将成为日后产业发展的核心。在“国家半导体照明工程”的推动下,我国已形成上海、大连、南昌、厦门和深圳等国家半导体照明工程产业化基地。相信随着LED行业和技术的不断成熟,加上国家政策的支持和导向,LED在产灯大国——中国会有广阔的发展空间,未来几年内LED会像现在的荧光灯一样,从商业场所照明应用开始,逐渐飞入寻常百姓家。

  电网情况可能是很糟糕的,大电机启动和停止的瞬时,大可控硅开通的瞬时,雷击等等,都会在电网上产生很高的电压尖峰。整流桥是直接与电网连接的,所以,有可能过压击穿。但是,只要二极管所承受的过压击穿的能量小于雪崩能量,二极管是不会损坏的。各家公司生产的二极管雪崩能量是有差异的,可是,几乎所有的普通二极管产品规格书都没有这项数据。

  我们所用的AC275V的安规(X2)电容,极限耐压2000V以上,并且能自愈就是这个道理。