LED封裝領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)分析及預(yù)警研究

張 濤,范廣涵，許毅欽，賀龍飛，喻曉鵬，熊建勇

(華南師范大學(xué)光電子材料與技術(shù)研究所，廣東省微納光子功能材料與器件實(shí)驗(yàn)室，廣東 廣州 510631)

引言

LED封裝技術(shù)屬于LED制造流程的后段。LED在制作完成了高亮度GaN管芯之后，還需經(jīng)磨片、拋光、劃片、裂片、焊接、涂敷熒光材料及填充樹脂等后步封裝工藝，才能得到具有良好光學(xué)、熱學(xué)和可靠性的LED器件和模塊。

LED封裝技術(shù)可按兩大類別進(jìn)行細(xì)分，分別為封裝工藝與結(jié)構(gòu)、封裝原材料。封裝工藝與結(jié)構(gòu)如圖1所示；封裝原材料如圖2所示。

圖1 封裝工藝與結(jié)構(gòu)Fig.1 Packaging process and structures

圖2 封裝原材料Fig.2 Packaging materials

本文按上述兩種類別對(duì)LED封裝技術(shù)專利進(jìn)行分析，并深入分析兩種LED封裝重點(diǎn)技術(shù)專利和一種核心技術(shù)專利。

本次檢索工作基于以下兩個(gè)數(shù)據(jù)庫：廣東省專利信息服務(wù)平臺(tái)的國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局全領(lǐng)域代碼化專利數(shù)據(jù)庫和THOMSON的DWPI數(shù)據(jù)庫。其中，全球?qū)＠麛?shù)據(jù)檢索基于THOMSON中Patent Search模塊，核心專利分析基于THOMSON中Citation Map模塊，中國專利數(shù)據(jù)檢索基于廣東省專利信息分析系統(tǒng)中的廣東局資源站點(diǎn)平臺(tái)。

本文全球?qū)＠暾?qǐng)檢索時(shí)間：1960年1月1日到2011年12月31日，中國專利申請(qǐng)檢索時(shí)間：1985年1月1日至2011年12月31日。

1 LED封裝技術(shù)專利態(tài)勢分析

1.1 全球、中國LED封裝專利申請(qǐng)統(tǒng)計(jì)表

表1 LED封裝專利申請(qǐng)量統(tǒng)計(jì)表 單位：件Table 1 A statistics table of LED packaging patent application

1.2 LED封裝技術(shù)原創(chuàng)國專利申請(qǐng)分析

如圖3所示，中國、日本、美國、韓國各主要技術(shù)原創(chuàng)國關(guān)于LED封裝技術(shù)的專利申請(qǐng)于1991年前后陸續(xù)開始，在隨后20年里，涉及到LED封裝的專利申請(qǐng)量一直保持增長勢頭。

日本從1995年開始，就已經(jīng)呈現(xiàn)出比其他國家明顯的優(yōu)勢，并且一直持續(xù)上升，在2005年左右申請(qǐng)量達(dá)到了高峰，技術(shù)已趨于成熟；美國在2005—2007年期間申請(qǐng)量陡增，這可能與美國的SSL計(jì)劃為核心的一系列LED產(chǎn)業(yè)政策密不可分；2004年起，中國開始重視LED封裝技術(shù)，增長速度明顯快于其他國家，專利申請(qǐng)量位居第一。

圖3 LED封裝技術(shù)原創(chuàng)國歷年專利申請(qǐng)量分布(不含同族專利數(shù)據(jù))Fig.3 Distribution of LED packaging technology patent applications throughout the years for the original countries (excluding kin patent data)

2 LED封裝技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)和重點(diǎn)技術(shù)

2.1 研究熱點(diǎn)

從表2可以看到，在全球范圍內(nèi)的LED封裝技術(shù)中，申請(qǐng)量靠前的IPC分類領(lǐng)域?yàn)镠01L(適用于光發(fā)射半導(dǎo)體器件及其部件的制作方法、固體器件等)、C09K(含有機(jī)發(fā)光材料、含無機(jī)發(fā)光材料、含稀土金屬等)、H01J(電極的、磁控裝置的、屏的零部件及其設(shè)置或間隔，通用于兩種以上基本類型的放電管或燈的零部件等)、F21V(照明裝置內(nèi)或上面電路元件的設(shè)置、 冷卻或加熱裝置、光源或燈架的固定等)，其內(nèi)容主要涉及LED封裝的原材料和封裝工藝與結(jié)構(gòu)等方面，由于上述對(duì)于LED的質(zhì)量和性能有著重要影響，因此在以后的研究中也應(yīng)作為重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。

表2 各原創(chuàng)技術(shù)國和廣東省的IPC構(gòu)成對(duì)照表(不含同族數(shù)據(jù))Table 2 The IPC composition table of the original countries and the Guangdong province (excluding kin data)

對(duì)中國、日本、美國和韓國專利申請(qǐng)的IPC分布情況分析中可以得出：各國對(duì)于上述四個(gè)領(lǐng)域的側(cè)重稍有不同，日本、美國和韓國的申請(qǐng)量在H01L領(lǐng)域最多，其次是C09K領(lǐng)域；中國的申請(qǐng)量在H01L領(lǐng)域最多，其次是F21V領(lǐng)域，值得注意的是中國在H01L和C09K兩個(gè)熱點(diǎn)領(lǐng)域的研究總量僅為34%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他國家?？梢?，中國在該項(xiàng)技術(shù)上的研究重點(diǎn)還相對(duì)分散，不夠集中，尤其是C09K領(lǐng)域，各國在該領(lǐng)域的涉及均不低于8%，而中國僅為5%，研發(fā)關(guān)注度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他各國水平。目前而言，研制優(yōu)質(zhì)的散熱、熒光粉等原材料是LED發(fā)展的關(guān)鍵，因此C09K涉及到LED封裝中的重點(diǎn)技術(shù)，對(duì)LED封裝的發(fā)展有重要影響。

表3 國際重點(diǎn)企業(yè)的IPC構(gòu)成對(duì)照表(不含同族專利數(shù)據(jù))Table 3 The IPC composition table of the key enterprises in the world (excluding kin patent data)

如表3所示，各申請(qǐng)人在技術(shù)上的研究方向有如下特點(diǎn)：(1)四位申請(qǐng)人的專利申請(qǐng)主要集中在H01L領(lǐng)域；(2)韓國的兩家公司三星和LG的研究領(lǐng)域相對(duì)集中，僅H01L和C09K兩個(gè)領(lǐng)域就占據(jù)了80%以上，而松下公司的研究方向相對(duì)廣泛，在各技術(shù)分支上的分布相對(duì)均衡；(3)新加坡晶圓代工業(yè)者公司在F21V領(lǐng)域的研究比重較大。

由于上述企業(yè)可能會(huì)影響該領(lǐng)域的研發(fā)方向和技術(shù)更新，因此，國內(nèi)企業(yè)對(duì)其應(yīng)保持高度關(guān)注。

2.2 重點(diǎn)技術(shù)

2.2.1 表面貼片式封裝(以下簡稱SMD)

本文共檢索到全球SMD相關(guān)專利申請(qǐng)1278件(去相同專利號(hào))。其中日本專利申請(qǐng)341件，數(shù)量占全部SMD封裝專利申請(qǐng)的26.68%，緊跟其后是美國，專利申請(qǐng)數(shù)量是293件，占總量的22.93%，排在第三位的是中國，占總量的14.95%。通過分析表面貼片式封裝SMD專利持有人的專利數(shù)量排名可以知，排名第一的是日本日亞公司，其專利申請(qǐng)量為55件，占總量的8.65%，其次是德國歐司朗，申請(qǐng)量為52件，占總量的8.18%。從專利IPC分類來看，SMD封裝技術(shù)專利主要集中在H01L003300。

HEWLETT PACKARD公司于1999年申請(qǐng)的專利(申請(qǐng)?zhí)朥S1998144744A)先后被引證了321次，該專利公開了多層熒光粉的SMD封裝結(jié)構(gòu)，第一次把芯片與熒光粉層隔開，且能保證發(fā)出穩(wěn)定均勻的白光。CITIZEN ELECTRONICS公司于2000年申請(qǐng)的專利US2000654262A公開了一種SMD封裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)表面含有紫外吸收材料，能有效防止外部紫外光對(duì)環(huán)氧樹脂透鏡老化作用，該專利被引用了114次。SIEMENS公司申請(qǐng)的專利US1988144370A公開了LED表面貼裝的標(biāo)準(zhǔn)化部件，此專利被先后被引用了111次。另外，SOLIDLITE CORP申請(qǐng)的專利US2001973777A，該專利公開了一種含有硅片和金屬鍍層的SMD封裝。

本文共檢索到國內(nèi)SMD封裝技術(shù)專利申請(qǐng)255件，其中發(fā)明專利申請(qǐng)83件，占總數(shù)的32.5%；實(shí)用新型172件，占總數(shù)的67.5%。國內(nèi)SMD封裝專利的IPC分類主要集中在以下三個(gè)主題：(1) 適用于光發(fā)射半導(dǎo)體器件及其部件的制作方法、固體器件等(H01L003300)；(2) 照明裝置的系統(tǒng)(F21S200)；(3) 準(zhǔn)備固定安裝的的裝置(F21S8/00)。

2.2.2 倒裝封裝重點(diǎn)專利技術(shù)分析

本文共檢索到全球倒裝封裝專利申請(qǐng)1278件(去相同專利號(hào))。它是目前LED發(fā)展的一個(gè)趨勢，美國是這一技術(shù)全球研究活動(dòng)最活躍的國家，也是相關(guān)專利申請(qǐng)數(shù)量最多的國家，全球約28%的上述領(lǐng)域?qū)＠麨槊绹暾?qǐng)，專利申請(qǐng)數(shù)量為223件；排在第二的是日本，專利申請(qǐng)數(shù)量為152件，占全球總申請(qǐng)量的19.41%。排在三四位的分別是中國和中國臺(tái)灣地區(qū)，分別占全球總申請(qǐng)量的14.56%和13.03%。從專利持有人的角度來看，三星是擁有倒裝封裝技術(shù)最多的公司，第二位是荷蘭飛利浦，第三位是美國科銳，第四是日本豐田合成。

通過分析倒裝封裝技術(shù)專利的被引用次數(shù)情況，被引用數(shù)量排前十的專利均是由美國申請(qǐng)人申請(qǐng)，其中被引用次數(shù)最多的是2000年美國通用公司申請(qǐng)的專利(申請(qǐng)?zhí)枺篣S2002146550A)，該專利介紹了一種通過使用倒裝封裝的方法增加光提取效率；專利被引用數(shù)量排第二的是2002年美國Peregrine Semiconductor Corporation申請(qǐng)的專利(申請(qǐng)?zhí)枺篣S2004990208A)，該專利介紹了一種倒裝封裝的光電集成系統(tǒng)；排名第三的是美國摩托羅拉公司于1996年申請(qǐng)的專利US1996588470A，介紹了一種LED顯示屏倒裝的封裝與制造方法。

倒裝封裝技術(shù)的專利持有人均是全球LED知名企業(yè)，可見倒裝封裝技術(shù)備受關(guān)注。從技術(shù)上分析，通過采用倒裝封裝技術(shù)，可以增加LED的光萃取效率，有效緩解高注入電流密度下的產(chǎn)生的散熱問題等，該技術(shù)是LED封裝的重要發(fā)展方向之一。國內(nèi)擁有倒裝封裝技術(shù)專利數(shù)量優(yōu)勢的是廣州晶科電子和廣州南科。

垂直結(jié)構(gòu)也是目前正在研發(fā)中的新型LED結(jié)構(gòu)；在封裝環(huán)節(jié)也將產(chǎn)生新的結(jié)構(gòu)和工藝技術(shù)；但是專門涉及的專利量還不算多，所以這里沒有列為“重點(diǎn)技術(shù)”加以分析。

3 核心技術(shù)專利分析及預(yù)警

本課題組在封裝技術(shù)中選擇了最為核心的部分——散熱，對(duì)其深入分析。在專利分析過程中，根據(jù)各相關(guān)專利文獻(xiàn)的被引用情況、同族專利數(shù)量、權(quán)利要求項(xiàng)數(shù)量以及申請(qǐng)人等情況進(jìn)行科學(xué)排序，挑選出全球?qū)＠?200篇和廣東省前600篇專利文獻(xiàn)進(jìn)行閱讀、討論和篩選。經(jīng)多次重復(fù)篩選、對(duì)比得出全球LED封裝核心專利和廣東省LED封裝核心專利20件，這些專利涵蓋了LED器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和LED用新型散熱材料的制備和選擇(見表4)。對(duì)中國LED封裝領(lǐng)域形成專利壁壘的專利列表見表5。

表4 LED封裝核心專利列表Table 4 LED packaging core patent list

續(xù)表

表5 對(duì)中國LED封裝領(lǐng)域形成專利壁壘的專利列表Table 5 A patent list of the patent barriers to China in the LED packaging field

4 結(jié)語

日本、美國在該領(lǐng)域起步較早，已積累了一些成熟的技術(shù)，這些技術(shù)可供中國LED產(chǎn)業(yè)參考。目前，中國在LED封裝領(lǐng)域的申請(qǐng)專利數(shù)量領(lǐng)先，但實(shí)用新型的申請(qǐng)專利量遠(yuǎn)高于發(fā)明專利的申請(qǐng)量。

全球排名前十的有飛利浦、三星、科銳、LG、松下等知名廠商，總共申請(qǐng)了5263件專利，這些申請(qǐng)人將是未來封裝領(lǐng)域中中國的主要競爭對(duì)手。

中國申請(qǐng)人排名前三位的是中國臺(tái)灣的億光電子工業(yè)股份有限公司、宏齊科技股份有限公司和一詮精密工業(yè)股份有限公司，分別占中國前十申請(qǐng)總量的18%、13%和11%，臺(tái)企在封裝領(lǐng)域仍然是強(qiáng)有力的競爭者；在中國大陸前十名的申請(qǐng)人中，廣東省占據(jù)三名，均為企業(yè)，申請(qǐng)數(shù)最多的是鶴山麗得電子實(shí)業(yè)有限公司，占10%，在封裝領(lǐng)域有一定的實(shí)力和競爭力。

國外在LED封裝方面的研發(fā)力量不僅僅是集中在結(jié)構(gòu)上面，而且對(duì)封裝材料也有大力的研究，包括環(huán)氧樹脂、導(dǎo)熱膠、硅膠和熒光粉等，這些原材料的好壞都極大的影響著一個(gè)LED封裝成品質(zhì)量的好壞。而我國主要集中在LED封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上，當(dāng)要用到某種更好的材料時(shí)，就受制于人。因此，在未來的發(fā)展中，中國應(yīng)該適當(dāng)?shù)淖⒁鈹U(kuò)展研究領(lǐng)域，爭取在封裝原材料方面投入研究力量，加強(qiáng)弱勢領(lǐng)域的發(fā)展力度，增強(qiáng)我國封裝的核心技術(shù)。

國外在封裝工藝與結(jié)構(gòu)上面的申請(qǐng)重在質(zhì)量，一旦有高質(zhì)量的專利，他們便會(huì)通過PCT等渠道向各個(gè)國家進(jìn)行同族專利的申請(qǐng)，而中國便是他們的主要目標(biāo)市場，從國內(nèi)現(xiàn)今大多數(shù)熱電分離的結(jié)構(gòu)都是仿飛利浦流明的結(jié)構(gòu)專利可以看出，對(duì)于中國，在結(jié)構(gòu)方面的申請(qǐng)數(shù)量很大，但是卻沒有走向世界，從某些角度可以看出其對(duì)于自身專利質(zhì)量的不自信，模仿多于原創(chuàng)。

[1] Manasevit H M. Single-crystal GaAs on insulating substrates[J]. Appl Phys Lett, 1968,12: 156-159.

[2] Amano H, Kito M, Hiramatsu K, et al. P-type conduction in Mg-doped GaN treted with low-energy electron beam irradiation(LEEBI) [J]. Jpn J Appl Phys, 1989,28: L2112-L2114.

[3] Nakamura S, Mukai T, Senoh M. Candela-class high-brightness InGaN/AlGaN DH blue light-emitting diode[J]. Appl Phys Lett, 1994,64: 1687-1689.

[4] Nakamura S, Senoh M, Nagahama S, et al. Optical gain and carrier lifetime InGaN MQW structure laser diodes[J]. Appl Phys Lett, 1996, 69:1568-1570.

[5] 陸大成，段樹坤，金屬有機(jī)化合物氣相外延基礎(chǔ)及應(yīng)用[M]，北京：科學(xué)出版社，2009.

[6] 羅佳秀.Nichia和 Cree半導(dǎo)體照明領(lǐng)域美國專利狀況分析[J].中國集成電路，2011(150):82-87.

[7] 文尚勝.中國 LED產(chǎn)業(yè)專利戰(zhàn)略初探[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào) (社會(huì)科學(xué)版), 2010,12(5):1-4.

[8] 劉消寒， 歹穎莉， 肖紅衛(wèi)， 等.我國三七產(chǎn)業(yè)專利戰(zhàn)略分析與預(yù)警[J].現(xiàn)代情報(bào)，2012,32(1)：119-122.

[9] 國家半導(dǎo)體照明工程研發(fā)及產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟.中國半導(dǎo)體照明產(chǎn)業(yè)發(fā)展年鑒(2008—2011)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

[10] 毛金生，馮小兵，陳燕.專利分析和預(yù)警操作實(shí)務(wù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[11] 駱云中，陳蔚杰，徐曉琳.專利情報(bào)分析與應(yīng)用[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2007.

[12] 陳燕，黃迎燕，方建國.專利信息采集與分析[M].北京：清華大學(xué)出版社，2006.

[13] 徐舒瑢，蘇勉曾.發(fā)光學(xué)與發(fā)光材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.