最新版中国LED芯片行业发展投资策略分析报告.docx
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最新版中国LED芯片行业发展投资策略分析报告
2017年6月出版
1、LED产业链发展情况分析
1.1、LED的能量转换效率高、寿命长
LED是发光二极管（LightEmittingDiode）的英文缩写，是一种固态的半导体器件，可以将电转化为光。
LED主要由PN结芯片、电极和光学系统组成，其中，核心部分是由P型、N型半导体组成的芯片，当PN结施加电压时，P区中多数的空穴与N区中多数的电子复合，以辐射光子的形式将多余的能量转化为光能。
图表1：
LED发光原理示意图
图表2：
典型的直插式封装LED结构示意图
从能量转换来看，白炽灯将5%的电能转换为光能，95%的电能转换为热能；而LED照明可实现将30%的电能转换为光能，70%的电能转换为热能，转换效率更高，是公认的绿色光源。
从灯具寿命来看，白炽灯1000小时光衰大约为30%，而LED白光的5000小时光衰为30%。
白炽灯、荧光灯、卤钨灯是采用电子光场辐射发光，灯丝发光易烧，具有热沉积、光衰减等特点。
而LED灯体积小，重量轻，可承受高强机械冲击和震动，使用寿命可达到5万小时。
图表1：
1.2、蓝光LED的出现是全彩显示和白光照明的基石
根据LED发光颜色的不同，可以将LED光源分为红光、橙光、绿光、蓝光灯。
由LED的发展历史可见，蓝光LED技术的成熟是推动LED显示及照明革命性变化的
前提和基础。
在显示领域：
蓝光LED的出现一方面可以实现全彩显示，一方面作
为背光可以实现轻薄、低能耗；在照明领域：
一方面由于红、绿光LED的显色指数都很低；另一方面由于红、绿光LED的禁带宽度太小，发光效率低，耗电量高。
因此蓝光LED在照明和显示领域具有无可替代的重要性，其发明者赤崎勇、天野浩和中村修二荣获2014年诺贝尔物理学奖。
图表3：
LED的发展历史
1.2.1、RGB三原色是全彩LED显示的基本原理
借助不同的半导体材料可以实现不同光色的LED，基于RGB三原色基本原理，
对红、绿、蓝LED施以不同电流控制亮度，进而实现三原色组合，便可达到全彩
显示的效果，这是目前LED大屏幕所普遍采用的方法。
图表4：
不同LED材料对应的光色
图表5：
三基色混合示意图
在RGB全彩显示方案中，每个像素点都包括3个RGB-LED芯片，一般采用键合或者倒装的方式将三色LED的P和N电极与电路基板相连。
之后使用专用LED全彩驱动芯片对每个LED进行脉冲宽度调制（PWM）驱动电流，PWM电流驱动方式可以通过设置电流有效周期和占空比来实现数字调光。
图表6：
RGB全彩色显示的单像素布局示意图
1.2.2、转换型是实现白光LED的主流方案
白光LED主要有多芯片组合型和光转换型白光LED两种。
在多芯片组合型白光
LED当中，使用最多的为RGB多芯片技术：
即使用三基色LED芯片按照一定的排列
方式集合成一个白光LED模块，实现白光输出。
但是芯片性能的差异性会导致输出光的稳定性差，需要复杂的控制电路和较高的封装成本。
此外，还有双芯片混合型和多芯片混合型等不同的组合方案，但是显色性差，只在对显色性要求不高的场合有用。
图表7：
白光LED的实现方案
光转换型白光LED是目前使用最多、应用范围最广的白光LED。
它是利用蓝光
（或者近紫外光）LED芯片发出蓝光（或近紫外光），激发其他荧光材料产生黄光、红光复合而形成白光。
图表8：
多芯片组合型白光LED示意图
图表9：
光转换型白光LED示意图
1.3、LED的应用领域多样
自20世纪60年代LED诞生以来，应用领域得以不断拓宽，一开始仅作为指示
光源应用于仪器仪表等设备，后来随着各种光色的LED器件相继出现和LED发光效
率的不断提升，使其在交通信号灯、汽车照明、大尺寸显示屏等领域得以广泛应用，并且逐步进入照明领域取代原有的白炽灯、荧光灯等老一代照明产品。
根据国家半导体照明工程研发及产业联盟数据，2014年国内LED应用市场中，
通用照明占比41%、景观照明占比17%、背光应用占比16%、显示屏占比11%、汽车
照明占比仅为1%。
相比之下，2016年通用照明和显示屏的占比明显上升，市占比分别达到47.6%、12.8%，较14年分别提升6.6pct、1.8pct。
图表10：
2014年国内LED各细分市场市占比情况
图表11：
2016年国内LED各细分市场市占比情况
1.4、国内LED产业链各环节高速成长
LED作为半导体产业的重要分支，其产业链同样可以分为上游衬底制备、外
延片生长和芯片制造；中游芯片封装，下游应用产品开发三个部分。
图表12：
LED产业链构成
根据高工LED数据，2016年国内LED芯片、封装、应用的产值分别为145亿元、
734亿元、3697亿元，同比增长率分别为11.54%、14.33%、15.71%。
其中芯片产值和封装产值在经历了15年的大幅下滑之后，同比增速开始平缓回升，16年的同比增长率分别较15年提升3.21pct、1.3pct。
图表13：
国内LED产业链中芯片、封装、应用产值情况
2、LED芯片加工流程
由于LED是一种固态的半导体器件，其加工过程与常规的半导体晶圆加工流程一致，具有较高的技术壁垒和资金壁垒。
由于不同光色的LED芯片所使用的材料不尽相同，所以在衬底、结构的选择上也有所差异。
下面主要以应用最为广泛、在显示、照明应用中地位重要的GaN蓝、绿光LED为例简单介绍LED芯片的加工流程。
图表14：
不同亮度的LED主要应用领域
2.1、蓝宝石仍是GaNLED的主要衬底材料
衬底是外延层生长的基板，在生产和制造过程中，起到支撑和固定的作用。
一个良好的衬底必须具备以下特性，晶格常数、热膨胀系数和外延生长的薄膜必
须有良好的匹配且能大尺寸和大量生产。
目前技术较为成熟的GaNLED衬底材料有蓝宝石（Al2O3）、碳化硅（SiC）、硅（Si）三种。
其中蓝宝石是外延生长最常使用的材料，其主要的特点是透明并且在高温条件下稳定。
尽管碳化硅衬底在导电、晶格常数匹配度上的表现要更好，但是由于其成本较高且专利垄断在Cree公司，所以并未得以大范围应用。
图表15：
三种GaNLED衬底材料的优缺点对比
PSS的商业化进一步提升蓝宝石衬底竞争力
PSS（图形化蓝宝石衬底）是指在常规的蓝宝石平片衬底表面进行刻蚀处理，制作出具有周期性的细微结构图形的一种新型衬底。
图形化蓝宝石衬底的一种典型制备方法是预先在蓝宝石衬底表面制作掩模层，然后利用标准光刻工艺将蓝宝石衬底表面的掩膜刻出细微图形，用感应耦合等离子体刻蚀或湿法刻蚀技术刻蚀蓝宝石衬底，在除去掩膜后即可得到具备微结构图形的蓝宝石衬底。
国内的LED外延片、芯片龙头企业三安光电、澳洋顺昌等均已具备相关技术。
图表16：
图形化蓝宝石衬底工艺示意图
PSS工艺相对于普通蓝宝石衬底的优势主要有三点：
一、PSS可以提高LED光提取率。
PSS上的细微图形可使光线从外延层入射到
图形衬底形成反射，使部分被局限在GaN内部的光被提取出来；
图表17：
PSS可以提高LED光提取率
二、PSS可以减少LED外延层的位错密度。
使用图形化衬底进行GaN外延生长
可以使GaN的生长模式从纵向转变为横向，减少反向漏电流，延长LED寿命；
三、PSS可以通过降低外延层应力改善晶体生长质量。
在横向生长过程中GaN
与蓝宝石衬底之间的失配应力降低。
2.2、MOCVD是在衬底上实现外延生长的核心技术
MOCVD是在气相外延生长（VPE）的基础上发展起来的一种新型气相外延生长
技术，LED的MOCVD外延生长是以氢气和氮气为承载气体将反应原料带进反应腔，将三甲基镓及氨气作为氮化镓反应原料，借以在高温环境下进行化学反应制成LED外延片的过程。
由于LED外延片是LED芯片的上游原料，因此MOCVD设备的数量就成为衡量外延片、芯片厂产能的直观指标。
图表18：
基于MOCVD工艺的GaN生长过程示意图
2.3、LED芯片前段制程需要无尘环境，后段制程注重静电防护
LED芯片的制程可大致分为金属电极制作的前段制程与将器件从外延片分离为独立芯片的后段制程两部分。
前段制程如下图所示，可分为切割纹道、平台刻蚀和制作透明电极三个环节：
切割纹道：
目的是为了增加切割合格率，将芯片图形所需区域外的部分进行干法刻蚀，这样在完成芯片切割过程中只需要切割蓝宝石衬底即可；
平台刻蚀：
因为蓝宝石衬底不导电，因此GaNLED的P电极及N电极制作于同
一平面，所以需要进行刻蚀制程。
主要目的为对表层特定区域的P型GaN进行刻蚀，
使下层的N型GaN材料漏出，以利于N型GaN上的欧姆电极制作。
欧明电极制作：
目前GaNLED的透明电极主要分为两大类：
即金属透明电极
TCL、氧化铟锡透明电极ITO。
透明电极主要是作为组件表面电流扩散层，由于覆盖整个组件表面因此必须透光，但是TCL的透光率仅达到75%，ITO便成为良好的替代。
图表19：
GaNLED芯片制作的前段制程
由于前段制程包含光刻、蒸镀、刻蚀、剥离，所以需要无尘室洁净等级的制程环境进行。
芯片的后端制程包括减薄（研磨抛光）、测试、切割、分类等制程，主要目的是将正片外延片制作成独立且分离的LED芯片，以便下游进行封装，由于GaNLED的衬底为不导电的蓝宝石，电极为共平面设计，容易导致电荷累积，所以后段制程注重静电防护。
2.4、垂直型和倒装型是LED芯片级封装的主流技术路径
倒装技术主要是为了克服共平面电极正面的两焊垫对于LED芯片光取出量的
限制。
如图所示，将传统LED芯片以正面朝下的方式将芯片的焊垫与衬底上的焊
锡凸块（solderbump）联结，衬底多为散热效果良好的硅材料，再加以封装。
在倒装结构中，原本P型GaN的透明欧姆电极需要改为光反射电极，使得光由芯片背面取出，从而避免了传统结构P型GaN焊点的遮光问题，同时因为衬底的导
热性更好，散热效果也较传统结构更为优良，可增加器件寿命。
倒装结构的劣势在于增加了芯片整体的面积和厚度，且发光层仍需要制作刻
蚀平台而损失部分面积。
图表20：
垂直型和倒装型是高功率LED芯片级封装的两大技术路径
垂直型LED芯片又称薄膜GaNLED，结构如图21所示，直接以激光方式移除不导电的蓝宝石衬底，改用导电衬底。
其制作流程为先在P型GaN上制作高反射率的欧姆电极，然后以黏合或电镀方式增加厚度150-200μm的置换衬底，通常选取铜、硅等导热性好且价格低廉的衬底材料，再以激光将蓝宝石衬底与N型GaN剥离，以刻蚀方式取下后再制作电极。
由以上介绍可见，产生倒装型、垂直型封装的主要原因是蓝宝石的不导电性，而对于可生长在导电衬底材料上的LED芯片而言，如生长在GaAs衬底的AlGaAs、AlInGaP或是生长在GaP衬底上的GaP、GaAsP等LED一般均直接采用垂直式的电极结构。
2.5、COB和SMD是LED阵列封装的主流技术路径
COB（ChipOnBoard）板上芯片直装技术，是一种通过粘胶剂或焊料将LED芯片直接粘贴到PCB板上，再通过引线键合实现芯片与PCB板间电互联的封装技术。
COB技术主要用于大功率、多芯片阵列的LED封装。
SMD（SurfaceMountedDevices）即表面贴装器件，它是SMT元件器中的一种，自2002年SMDLED逐渐被市场接受，并在后续兴起的小间距LED显示屏中得到大范围应用，16年初SMD约占小间距LED器件封装市场产值的60%。
图表21：
SMD和COB在性能指标上各有优劣
单就LED显示端的应用而言，SMD可实现三种不同颜色的LED芯片封装在同一个胶体内，得出的效果没有颗粒状、匀色性好，饱和度高。
而COB封装有别于单颗器件封装方式，生产过程及成品的一次通过率低，色彩的一致性差。
3、行业变革正在供需两端发生
3.1、价格战挤出效应明显，行业竞争格局改善
3.1.1、政策支持大规模扩产，LED芯片、封装价格大幅下跌
一方面由于LED的半导体属性，芯片、封装、照明产品的成本长期呈现下滑
趋势，按照LED领域的“海兹定律”所言，LED的价格每10年将为原来的1/10，输
出流明则增加20倍。
科技部在2012年发布的《半导体照明科技发展“十二五”专项规划》中也提出将白光LED成本在15年降至11年的20%。
另一方面，由于国内政策对于LED行业的扶持，企业的扩产动机、能力充足。
以国内LED芯片龙头三安光电为例，在2013-2015年间其收到的政府补贴分别为
3.51亿、5.04亿、5.94亿元，同比增速在14年高达43.56%，在15年为17.67%，政府补贴占营收比重在15年达到12.23%的高位。
由于对LED芯片行业的补贴多是与购买的MOCVD设备数量相关，补贴的规模直接反映了购置机器设备的数量，反映了扩产的幅度。
图表22：
三安光电在2014年收到的政府补贴同比增长43.56%
根据LEDinside估算，中国大陆LED芯片厂持续投产使得15年LED芯片供过于求的比例高达22%，特别是三安光电、乾照光电新厂、新机型的投产使得15年下
半年新增的单月投片数高达50万片，加剧行业价格竞争。
图表23：
15年至16年初LED芯片、封装价格普遍出现了大幅下跌
由上图可见，LED芯片和封装产品价格在15年末出现了快速、大幅的下跌。
根据LEDinside数据，自15年一季度至16年一季度末，主流LED芯片的价格跌幅超过30%，跌幅最大的11x28规格下跌更是超过60%。
同期，封装产品的价格也普遍呈现超过20%的跌幅。
除了LED芯片、封装产品之外，LED灯泡的价格也延续了一贯以来的下跌趋势。
根据Wind统计数据，取代40W白炽灯的LED灯泡价格在2015年、2016年分别下跌
12.4%、15.53%，16年12月份的价格为8.7美金；取代60W白炽灯的LED灯泡价格在
2015年、2016年分别下跌9.94%、14.89%，16年12月份的价格为12美金。
图表24：
LED灯泡价格长期下滑
3.1.2、价格竞争环境中照明行业亏损面高企
根据中国轻工业网数据，2015年前三季度全国照明行业累计亏损面为16.66%，
同比增长1.82pct。
分子行业来看，电光源制造累计亏损面为19.24%，同比增长
0.17pct；灯用电器附件及其他照明器具累计亏损面为18.73%，同比增长3.89pct；照明灯具制造累计亏损面为15.49%，同比增长2.03pct。
从具体的亏损企业数量上来看，2015年上半年，全国LED照明行业累计亏损企业数为579家，亏损面为22.18%，比去年同期扩大2.57pct。
15年上半年灯具制造累积的亏损额为8.34亿元，占照明行业累计亏损额的68.62%。
图表25：
15年上半年全国LED照明行业亏损企业数为579家
图表26：
15年上半年全国LED照明行业累计亏损额占比情况
在相对惨烈的盈利状况下，国内LED企业经历了大浪淘沙式的筛选，优胜劣汰。
根据高工LED数据，2014年国内LED企业数量多达2万家，仅经过一年时间，就减少20%，有4000家企业（包含上游芯片、中游封装和下游照明应用）退出市场，其中以下游照明企业为主，预计到2018年企业数量将减少一半。
3.1.3、国外大厂近两年陆续退出中国照明市场
虽然2015年整个行业的竞争激烈，洗牌加剧，但是内资企业显示了中国制造在效率、成本上的一贯优势。
根据中国轻工网数据，15年港澳台投资的LED企业累计亏损面为25%，同比增长3.67pct；外商投资企业累计亏损面为23.67%，同比增长-0.82pct；内资企业累计亏损面为14.64%，同比增长1.87pct。
单从LED照明市场来看，继三星在2014年退出韩国之外所有市场的LED照明业务之后，2016年内国际知名大厂飞利浦、欧司朗、GE也陆续退出了中国市场，为国内LED产业提供了更大的市场空间。
图表27：
国际LED照明大厂陆续退出中国市场
3.2、供给端
3.2.1、台系厂商积极扩充四元LED产能
四元LED是指以四种元素的化合物AlInGaP为材料的LED芯片，其发出的色光
波长在550-630nm之间，包括黄绿、黄色、橙色、红色，具有亮度高、衰减度低的特性，是户外发光LED的主要产品，是全色系LED显示屏的必需材料。
由于下游小间距LED显示、红外LED感测应用的兴起，四元LED缺货自16年年中显现，根据国内LED显示屏主要制造厂商利亚德、洲明科技、艾比森反馈，在
16年年中至三季度，行业普遍遇到了LED灯珠供应吃紧、成本上升的情况。
在旺盛的需求背景下，台系四元LED厂商积极扩增四元产能。
其中龙头大厂
晶电从16Q2开始执行扩产计划，但16年年中订单仍一度排到10月份，16Q3四元LED占营收占比达25-30％，突破长期20-25%的范围，16Q4晶电四元LED维持满产运行，营收占比有望持续拉升。
借助四元LED景气度的高涨，晶电营收、毛利率自16年起逐季增长，16Q3营收达到14.13亿元，毛利率达到13.69%（自15年初以来的季度高点），扣非后归母净利润在16Q3结束了连续6个季度的亏损，业绩拐点显现。
图表28：
晶电扣非后归母净利润16Q3结束了连续6季度的亏损
图表29：
晶电的毛利率、净利率在16年出现持续好转
与此同时，台系LED厂商华上光电16年已将其全数产能集中在四元LED，公司认为由于日、韩没有四元LED制造商，大陆的扩产也多集中在GaN产能，加上四元产品需要磷、砷，会产生环保问题，大陆审批走向严格，因此四元LED芯片不易走向红海市场。
图表30：
主要台系四元LED厂商运营状况
3.2.2、结构型供需失衡造成LED芯片捉襟见肘，涨价由RGB蔓延至白光
3.2.3、显示和照明应用“争抢”GaN产能可造成结构型缺货
由于对全彩显示而言，一颗四元LED的红黄光芯片必须与两颗GaN的蓝绿芯片
组合构成显示单元，所以四元LED产能的增长就要求与之对应的用于显示的GaN
产能匹配式增长，而如前所述，GaN蓝绿光产品同样可用于白光LED，在16年没有大规模GaN产能扩张的情况下，用于显示和用于白光的GaN产能此消彼长，造成结构型的供需失衡。
图表31：
GaN产能结构型供需失衡，LED芯片捉襟见肘
结构型的供需失衡造成GaNLED芯片捉襟见肘，继16年四元LED芯片缺货涨价之后，17年年初三安光电发布调价函，自2017年1月10日上调S-30MS/S-32BB系列产品价格8%，该产品主要用于制作0.5W的灯珠，市场需求大，是以往价格竞争激烈的产品型号。
3.2.4、高功率芯片占比提升同样可能挤占产能，造成结构型缺货
除了之前提到的GaN产能在显示和照明中的分配可能造成结构型缺货之外，
由于不同功率LED芯片的面积不同，功率越高往往面积越大，所以高功率产品占
比提升时就会造成出货总数量的下降。
类似于我们在京东方A深度报告《LCD苦尽甘来，布局未来多点开花》中所阐述的在需求平均尺寸快速上升过程中，面板产能出现相对收缩的逻辑。
在不考虑良率、边缘效应等因素的情况下，每片2寸外延片理论上最多可生产10mil*8mil的芯片颗数约39K，而能够生产的10mil*23mil的芯片颗数仅为约
14K，为10mil*8mil出货量的35.9%，由此可见，单颗芯片尺寸将大幅影响芯片产出数量。
因此当诸多国际大厂退出传统照明红海加码车灯市场之际，高功率的车外照明产品会较大程度消耗日常使用的白光照明产能，进而可能造成白光照明产品的结构型缺货。
3.3、涨价潮背后是产业中心转移的大趋势，本土大厂大规模扩产在即
3.3.1、2014-2015年国内MOCVD数量全球占比提升4pct
LED作为国家政策重点扶持的绿色照明行业，补贴金额往往与厂商扩产的规模成正比，因此国内厂商购买MOCVD设备进行产能扩张的动机强劲。
根据高工LED数据，我国MOCVD设备保有量自2011年的大幅增长之后，保持着每年稳定增长的趋势。
2015年约1222台（折算成2英寸54片机，下同），同比增长4.27%。
图表32：
中国MOCVD设备保有量稳步提升
在价格竞争和国内大厂扩产信号显示的压力下，海外厂商已经陆续停止产能扩张，采用外包方式，利用国内产能满足供应需求。
15年四季度起台湾大厂晶电开始减少其蓝光GaN产能的25%，减产之后的MOCVD数量为375台，推算减产数量约为125台。
由DIGITIMES的数据可见，国内的MOCVD数量在全球占比由2014年的31%提升至2015年的35%，相比台湾市场的领先幅度正在扩大。
图表33：
2014年全球MOCVD产能分布
图表34：
2015年全球MOCVD产能分布
3.3.2、2016年政策补贴依然，国内LED芯片行业集中度进一步提升
尽管在2015年国内芯片大厂的产能占比已经有明显提升，但国内的政策补贴
依然持续，继续推进全球LED产业中心向国内转移。
仅2016年上半年三安光电、
乾照光电、华灿光电、德豪润达、士兰微五家厂商收到的补贴总和已经达到5.25
亿元。
图表35：
2016年上半年政府扶持力度持续，推动产业中心转移
国内LED芯片行业市场集中度在竞争中不断提升。
根据高工LED数据，15年约有10家芯片企业已停产或退出。
根据LEDinsde数据，16年在国内市场，三安光电、华灿光电等前五大厂商合计市占比为65%。
2016年国内LED芯片大厂的产能仍集中在GaN市场，四元产能占比较低。
三安光电、华灿光电、乾照光电、德豪润达、澳洋顺昌、国星光电、士兰微合计的MOCVD设备约757台，其中四元设备仅60台，占比约8%，以乾照光电的四元产能占比最高。
图表36：
2016年国内主要LED芯片厂商MOCVD设备保有量
图表37：
2016年国内LED芯片市场份额
GGII预计，中国LED芯片行业企业集中度未来几年仍将不断提升，LED芯片企业扩产将主要集中在领先的3-5家企业，未来三年具有一定规模且稳定存在于市场的芯片企业预计会减少至10家以内。
3.3.3、国内厂商扩产计划集中在GaN，GaNLED产业中心转移是大势所趋
从VECCO、AIXTRON两家MOCVD设备大厂的在手订单情况而言，15年VECCO设备
在手订单1.86亿美金，同比下滑35%，AIXTRON设备在手订单5360万美金，是2013
年以来低位，同比下滑39%。
由于设备的购买落后于产能的兑现，16年LED行业的新增产能规模较小。
就AIXTRON2016年前三季度1.15亿美金的在手订单来看，远超14年8800万美金的高位水平，一定程度反映出LED行业又进入新一轮的设备扩张周期。
在当前市场上，GaN设备仍以Cree生产为主，而四元设备AIXTRON相比Cree也具有相当强的竞争力，AIXTRON设备订单的高增长表明市场16年对四元设备的需求旺盛。
图表38：
2016前三季度ANXTRON在手订单充裕
在晶电、Cree缩减GaN产能、加码四元产能的背景下，国内LED芯片大
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