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关于半导体照明成本的思考

中国照明商务网 发布时间：2005-09-05 10:47

摘要：
随着LED技术的快速发展和绿色照明深入人心，半导体照明已经成为下一代照明技术的主流。对于半导体照明，高效、低成本、长寿命是关键，尤其是低成本已是半导体照明大规模推向市场并取得成功的关键。本文对半导体照明的成本进行了分析，并对如何降低成本进行了思考。
关键词：LED，半导体照明，成本

引言
自从爱迪生发明了白炽灯泡后，人类就进入了照明新时代。白炽灯是第一代电光源的代表，它是靠通电加热钨丝使其处于炽热状态而发光的，它的发光效率低，使用寿命短。荧光灯代表了电光源史上的一次革命，目前世界上70%的人造光线来自于荧光灯，但其显色性较差，同时有频闪和汞污染等问题。在进入新世纪的时候，什么将是21世纪的照明新光源呢？随着半导体发光二极管（LED）芯片工艺水平的不断提高，加上大功率LED封装和应用技术的成熟，LED的发光效率得到大大提高，目前1W白光LED产品的光效已经超过45lm/W，所有这一切都使半导体照明成为可能。LED光源在照明领域的应用，是半导体发光材料和工艺技术高速发展及“绿色照明”概念逐步深入人心的产物。
对于半导体照明，高效、低成本、长寿命是关键，随着全球制造业向中国的转移，低成本制造是中国制造业的最大竞争优势，要把它发挥的淋漓尽致。对于半导体照明产业，最关键的问题之一是怎么样才能做到低成本？在这里，我们进行了思考和探讨。

一、国内LED和半导体照明产业发展状况
我国LED产业虽然起步较晚，但发展速度非常快，尤其是在中、低端产品领域，我国已成为全球最大的LED下游产品制造基地之一。但国内大多数的厂商是一些小规模的封装企业，其生产规模在每月5--10KK左右，基本上靠手工操作，同时也做一些低端的模块和应用产品；也有几个中等规模的封装公司，其生产规模在每月20--50KK，年产值在3000--8000万元之间，半自动和自动生产线已经建立或正在建立，同时也做一些中档水平的模块和应用产品。
我国在高亮度LED领域虽然起步较晚，但在封装领域已初具规模，目前正积极开发蓝、绿LED芯片，并已开始进入批量生产；但总体来说实力仍然很弱，目前自主外延片的供应能力大约为10%，在芯片制作上，供应能力也只在20%左右，用于半导体照明的一些关键性产业技术还未能掌握。

二、照明用LED的成本分析
目前虽然LED的发展速度很快，已开始应用于特殊照明领域，但离进军通用照明领域还有一段距离，LED应用于通用照明领域的几个关键要素包括：
（1）高光通量：单灯光通量要接近1000lm。
（2）高效率：对于白光LED要达到约100lm/W。
（3）低成本：单位成本条件下10倍以上的光通量改善是必须的;
（4）合适的灯具结构设计，并将驱动装置集成在内部。
综合以上几个因素，影响半导体照明市场推广的关键还是成本。在国际竞争中，在相同或相似性能、质量和服务的情况下，成本是关键！能生产低成本的产品是中国的一个优势，也是目前中国可以尽情发挥的优势。中国在半导体照明上所应采取的策略是：达到基本技术性能指标的要求，将成本做到最低。
人类照明从火到白炽灯、荧光灯到半导体照明，从下图1可以看出，在人类照明质量不断得到提升的同时，其总拥有成本也是逐渐下降的。

图1.人类照明成本估算[以1992美元为单位]

照明成本的核算方法如下：
（1）总成本[百万流明小时的费用]
=起始成本+使用成本
（2）起始成本
=采购成本[每千流明的费用]+安装、拆卸成本[每千流明的费用][按灯的寿命折旧]
（3）使用成本
=每度电费[每千瓦时的费用]/灯的效率[lm/W]
从以上照明成本核算方法中，我们可以看出，决定半导体照明总成本的关键点是LED灯具起始采购成本和使用成本：决定起始采购成本的主要因素是单灯成本、寿命和发光效率，决定使用成本的主要因素电价和发光效率。这两项都与发光效率有关，因此，发光效率是其中最重要的参数。
表1和表2分别是美国和中国的半导体照明产业发展蓝图，对其百万流明小时成本进行分析可以发现，目前LED照明的百万流明小时成本已经低于白炽灯，并将在2010年左右低于荧光灯，因此LED照明取代白炽灯的时机已经到来。
表1美国半导体照明发展蓝图
技术指标照明用LED2002照明用LED2007照明用LED2012照明用LED2012白炽灯荧光灯
发光效率(lm/W)25751502001685
寿命(khr)20>20>100>100110
光通量(lm/lamp)252001,0001,5001,2003,400
输入功率(W/lamp)12.76.77.57540
起始成本($/Mlm-hr)121.250.300.131.250.18
使用成本($/Mlm-hr)41.330.670.506.251.18
总成本[$/Mlm-hr]162.580.970.637.501.35
可渗透的照明市场低光通量要求领域白炽灯荧光灯所有照明领域
备注：上表指出了半导体照明LED灯的发展目标，因为评价半导体照明LED发光显色指标的体系尚未发展成熟，因此这里用显色指数（CRI）作为过度期的参考指标，这里的流明成本和单灯成本是市场价格，大约比OEM成本高两倍。

表2中国半导体照明产业发展蓝图（2005年4月发布）
技术指标LED2004LED2006LED2008LED2010LED2020白炽灯荧光灯
发光效率(lm/W)2030601002001685
寿命(khr)5203050100110
单灯光通量(lm/lamp)2090300600150012003400
输入功率(W/lamp)13567.57540
单灯成本(RMB/lamp)31.541.533.224.924.9214
每千流明成本(RMB)1575461.1110.641.516.61.74.1
显色指数(CRI)7580>80>80>809575
每百万流明小时总成本(RMB)374.29.3411.276.363.28407.4
可渗透的照明市场低光通量要求领域白炽灯白炽灯荧光灯所有照明领域
注：数据指的是产品的平均值而非最佳值。

三、LED成本构成
目前高亮度LED市场快速成长，已经超越了普通LED，成为了市场的主流，对于市场上主导的蓝、绿光高亮度LED来说，其芯片的成本构成如下表3所示：
表3高亮度LED芯片*的成本构成
成本类别所占比例
材料其中衬底MOCVD源材料～20-30%～10-20%～10%
劳动力成本～10%
固定资产折旧～20-30%
其它相关成本～30-45%
注：*2003年12x13milLED芯片，标准的高亮度蓝光LED
从上表可以看出，对于高亮度LED的生产来说，固定资产折旧和相关运行费用占了很大的比例，成为制约高亮度LED芯片成本下降的主要因素。
高亮度LED封装*的成本构成如下表4所示：
表4高亮度LED封装*的成本构成
成本类别所占比例
材料芯片**支架环氧树脂金属引线～96%～97%～1.7%～0.24%～0.22%
直接劳动力成本～1.1%
固定资产折旧～2.1%
其它相关成本～0.69%
注：*2003年对于5mmLED自动封装线。
**标准的高亮度蓝光LED
从上述分析可以看出，对于高亮度LED封装过程来说，材料成本占了绝大部分，尤其是芯片的采购成本占了封装成本的主要构成。因此，降低芯片的成本是降低LED成本的核心，是影响半导体照明市场推广的关键。

四、降低成本的关键和技术工艺改善所能起的作用
对于目前国内的高亮度LED芯片厂商来说，由于初期投资规模较大，给企业的运营带来了相当大的压力，目前绝大部分企业均是亏损运营。因此，通过降低芯片的成本，加速市场的推广，使规模尽快达到盈亏平衡点是各芯片企业非常重要和紧迫的课题。下面就如何降低成本与读者进行一些探讨，笔者认为降低LED成本应该主要从以下五个方面入手：
（1）降低初期投资
对于芯片厂商来说，初期的基础设施和生产设备的投资相当庞大。超净厂房、动力气体辅助设设备、废气废液处理设备的投资很大，并且需要一步到位；一台MOCVD外延炉就超过百万美元，芯片工艺设备、测试分选设备也相当昂贵；建设一条拥有两台MOCVD外延炉的外延芯片生产线，其投资额将超过5000万元人民币，企业的设备折旧和财务成本压力很大，同时这些设备的运行成本也相当高。在没有达到收支平衡之前，企业需要有相当大的流动资金投入。
（2）提高成品率
目前高档LED的生产现状是：在MOCVD外延生长过程中，其产品的合格率仅在50%-75%之间，主要是在外延片均匀性、表面形貌、源材料的纯度和重复性等方面影响了产品的成品率。
对于芯片的工艺制备过程，其合格率约在80%-90%之间，主要是在腐蚀的质量和均匀性、透明电极的质量、欧姆接触的质量和重复性、减薄和抛光的均匀性与碎裂问题等方面。
在芯片制备与测试环节，目前其合格率仅在40%-64%左右，主要原因是划片时的清洁、损伤、碎裂问题，以及在亮度、波长、工作电压、反向漏电等测试分选环节产生的不合格品。
LED封装环节目前的合格率处在较高的水平，在90%-98%左右。
LED可靠性和寿命测试环节，经过静电、老化和高温高湿下的测试，目前其产品合格率在80%-95%左右。
综合以上几个环节，目前LED在生产和分选过程中，总的成品率约在12%-40%，成品率与产品的检测标准相关。还处在一个比较低的水平，成品率低直接导致了产品的成本居高不下。对于目前的综合成品率水平，还有较大的提升空间，其关键是发展产业化工艺技术。如果是低档产品，对很多参数的要求很松，成品率可以很高。当然，这些产品的价格也就很低。

（3）多样化的客户群
对于目前的外延工艺水平，对于同一外延片，其均匀性方面还不能达到设计的预期水平，因此开发多样化的客户群至关重要。通过多样化的客户群，使不同波长、不同亮度的芯片都能找到合适的下游用户，以充分实现其产品价值。

（4）扩大产量
对于外延芯片厂商，其运营的固定成本非常高，因此有很大的芯片产能规模并能够充分利用对企业运营至关重要，确保在最短的时间内使外延芯片产能大于损益平衡点。同时只有在规模较大的情况下，才可以最大限度的降低采购成本，并获得各种优惠和优先权.

（5）优化管理
对于目前的LED产业，生产规模越来越大，分工越来越细，从上游到下游，一家企业什么都做不一定就能实现低成本，选择合适的商业运作模式非常重要。同时在质量管理上必须下功夫，添置必要的检测分析设备，进行必要的检测和分析，节省了质量检验员和质检步骤不是低成本，节省了测试工程师和测试仪器不是低成本。同时必须切记，LED赢利的关键是产品要上档次，在成本基本固定的条件下，将产品的档次提高是一条实现赢利的更好途径！

五、总结
我国有规模庞大的LED产业和传统照明电器产业支撑，同时在半导体照明产业前沿技术领域有较好的研究基础。这样好的条件，对我国半导体照明产业技术的迅速兴起和发展是十分有利的。半导体灯最终取代白炽灯和荧光灯这一革命浪潮不可抵挡，现在的问题是使之尽快满足普通照明的要求，并实现产业化。目前半导体照明技术正处于加速发展阶段，半导体照明产业对国内企业来说是一场挑战，更是一次难得的发展机遇。要抓住低成本的优势，逐步提高产品的质量和档次，使中国半导体照明产业尽快建立起来，并在世界范围内具有很强的竞争力。

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