LED封裝領域專利技術分析及預警研究

張 濤,范廣涵，許毅欽，賀龍飛，喻曉鵬，熊建勇

(華南師范大學光電子材料與技術研究所，廣東省微納光子功能材料與器件實驗室，廣東 廣州 510631)

引言

LED封裝技術屬于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、熱學和可靠性的LED器件和模塊。

LED封裝技術可按兩大類別進行細分，分別為封裝工藝與結構、封裝原材料。封裝工藝與結構如圖1所示；封裝原材料如圖2所示。

圖1 封裝工藝與結構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LED封裝技術專利進行分析，并深入分析兩種LED封裝重點技術專利和一種核心技術專利。

本次檢索工作基于以下兩個數據庫：廣東省專利信息服務平臺的國家知識產權局全領域代碼化專利數據庫和THOMSON的DWPI數據庫。其中，全球專利數據檢索基于THOMSON中Patent Search模塊，核心專利分析基于THOMSON中Citation Map模塊，中國專利數據檢索基于廣東省專利信息分析系統中的廣東局資源站點平臺。

本文全球專利申請檢索時間：1960年1月1日到2011年12月31日，中國專利申請檢索時間：1985年1月1日至2011年12月31日。

1 LED封裝技術專利態勢分析

1.1 全球、中國LED封裝專利申請統計表

表1 LED封裝專利申請量統計表 單位：件Table 1 A statistics table of LED packaging patent application

1.2 LED封裝技術原創國專利申請分析

如圖3所示，中國、日本、美國、韓國各主要技術原創國關于LED封裝技術的專利申請于1991年前后陸續開始，在隨后20年里，涉及到LED封裝的專利申請量一直保持增長勢頭。

日本從1995年開始，就已經呈現出比其他國家明顯的優勢，并且一直持續上升，在2005年左右申請量達到了高峰，技術已趨于成熟；美國在2005—2007年期間申請量陡增，這可能與美國的SSL計劃為核心的一系列LED產業政策密不可分；2004年起，中國開始重視LED封裝技術，增長速度明顯快于其他國家，專利申請量位居第一。

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

2 LED封裝技術領域的研究熱點和重點技術

2.1 研究熱點

從表2可以看到，在全球范圍內的LED封裝技術中，申請量靠前的IPC分類領域為H01L(適用于光發射半導體器件及其部件的制作方法、固體器件等)、C09K(含有機發光材料、含無機發光材料、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(照明裝置內或上面電路元件的設置、 冷卻或加熱裝置、光源或燈架的固定等)，其內容主要涉及LED封裝的原材料和封裝工藝與結構等方面，由于上述對于LED的質量和性能有著重要影響，因此在以后的研究中也應作為重點關注的內容。

表2 各原創技術國和廣東省的IPC構成對照表(不含同族數據)Table 2 The IPC composition table of the original countries and the Guangdong province (excluding kin data)

對中國、日本、美國和韓國專利申請的IPC分布情況分析中可以得出：各國對于上述四個領域的側重稍有不同，日本、美國和韓國的申請量在H01L領域最多，其次是C09K領域；中國的申請量在H01L領域最多，其次是F21V領域，值得注意的是中國在H01L和C09K兩個熱點領域的研究總量僅為34%，遠遠低于其他國家。可見，中國在該項技術上的研究重點還相對分散，不夠集中，尤其是C09K領域，各國在該領域的涉及均不低于8%，而中國僅為5%，研發關注度遠遠低于其他各國水平。目前而言，研制優質的散熱、熒光粉等原材料是LED發展的關鍵，因此C09K涉及到LED封裝中的重點技術，對LED封裝的發展有重要影響。

表3 國際重點企業的IPC構成對照表(不含同族專利數據)Table 3 The IPC composition table of the key enterprises in the world (excluding kin patent data)

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

由于上述企業可能會影響該領域的研發方向和技術更新，因此，國內企業對其應保持高度關注。

2.2 重點技術

2.2.1 表面貼片式封裝(以下簡稱SMD)

本文共檢索到全球SMD相關專利申請1278件(去相同專利號)。其中日本專利申請341件，數量占全部SMD封裝專利申請的26.68%，緊跟其后是美國，專利申請數量是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量排名可以知，排名第一的是日本日亞公司，其專利申請量為55件，占總量的8.65%，其次是德國歐司朗，申請量為52件，占總量的8.18%。從專利IPC分類來看，SMD封裝技術專利主要集中在H01L003300。

HEWLETT PACKARD公司于1999年申請的專利(申請號US1998144744A)先后被引證了321次，該專利公開了多層熒光粉的SMD封裝結構，第一次把芯片與熒光粉層隔開，且能保證發出穩定均勻的白光。CITIZEN ELECTRONICS公司于2000年申請的專利US2000654262A公開了一種SMD封裝結構，該結構表面含有紫外吸收材料，能有效防止外部紫外光對環氧樹脂透鏡老化作用，該專利被引用了114次。SIEMENS公司申請的專利US1988144370A公開了LED表面貼裝的標準化部件，此專利被先后被引用了111次。另外，SOLIDLITE CORP申請的專利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SMD封裝技術專利申請255件，其中發明專利申請83件，占總數的32.5%；實用新型172件，占總數的67.5%。國內SMD封裝專利的IPC分類主要集中在以下三個主題：(1) 適用于光發射半導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(F21S200)；(3) 準備固定安裝的的裝置(F21S8/00)。

2.2.2 倒裝封裝重點專利技術分析

本文共檢索到全球倒裝封裝專利申請1278件(去相同專利號)。它是目前LED發展的一個趨勢，美國是這一技術全球研究活動最活躍的國家，也是相關專利申請數量最多的國家，全球約28%的上述領域專利為美國申請，專利申請數量為223件；排在第二的是日本，專利申請數量為152件，占全球總申請量的19.41%。排在三四位的分別是中國和中國臺灣地區，分別占全球總申請量的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專利的被引用次數情況，被引用數量排前十的專利均是由美國申請人申請，其中被引用次數最多的是2000年美國通用公司申請的專利(申請號：US2002146550A)，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；專利被引用數量排第二的是2002年美國Peregrine Semiconductor Corporation申請的專利(申請號：US2004990208A)，該專利介紹了一種倒裝封裝的光電集成系統；排名第三的是美國摩托羅拉公司于1996年申請的專利US1996588470A，介紹了一種LED顯示屏倒裝的封裝與制造方法。

倒裝封裝技術的專利持有人均是全球LED知名企業，可見倒裝封裝技術備受關注。從技術上分析，通過采用倒裝封裝技術，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生的散熱問題等，該技術是LED封裝的重要發展方向之一。國內擁有倒裝封裝技術專利數量優勢的是廣州晶科電子和廣州南科。

垂直結構也是目前正在研發中的新型LED結構；在封裝環節也將產生新的結構和工藝技術；但是專門涉及的專利量還不算多，所以這里沒有列為“重點技術”加以分析。

3 核心技術專利分析及預警

本課題組在封裝技術中選擇了最為核心的部分——散熱，對其深入分析。在專利分析過程中，根據各相關專利文獻的被引用情況、同族專利數量、權利要求項數量以及申請人等情況進行科學排序，挑選出全球專利前1200篇和廣東省前600篇專利文獻進行閱讀、討論和篩選。經多次重復篩選、對比得出全球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器件結構的設計和LED用新型散熱材料的制備和選擇(見表4)。對中國LED封裝領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

續表

表5 對中國LED封裝領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 結語

日本、美國在該領域起步較早，已積累了一些成熟的技術，這些技術可供中國LED產業參考。目前，中國在LED封裝領域的申請專利數量領先，但實用新型的申請專利量遠高于發明專利的申請量。

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

中國申請人排名前三位的是中國臺灣的億光電子工業股份有限公司、宏齊科技股份有限公司和一詮精密工業股份有限公司，分別占中國前十申請總量的18%、13%和11%，臺企在封裝領域仍然是強有力的競爭者；在中國大陸前十名的申請人中，廣東省占據三名，均為企業，申請數最多的是鶴山麗得電子實業有限公司，占10%，在封裝領域有一定的實力和競爭力。

國外在LED封裝方面的研發力量不僅僅是集中在結構上面，而且對封裝材料也有大力的研究，包括環氧樹脂、導熱膠、硅膠和熒光粉等，這些原材料的好壞都極大的影響著一個LED封裝成品質量的好壞。而我國主要集中在LED封裝結構的設計上，當要用到某種更好的材料時，就受制于人。因此，在未來的發展中，中國應該適當的注意擴展研究領域，爭取在封裝原材料方面投入研究力量，加強弱勢領域的發展力度，增強我國封裝的核心技術。

國外在封裝工藝與結構上面的申請重在質量，一旦有高質量的專利，他們便會通過PCT等渠道向各個國家進行同族專利的申請，而中國便是他們的主要目標市場，從國內現今大多數熱電分離的結構都是仿飛利浦流明的結構專利可以看出，對于中國，在結構方面的申請數量很大，但是卻沒有走向世界，從某些角度可以看出其對于自身專利質量的不自信，模仿多于原創。

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