mini LED专利技术分析来了

日期: 2020-11-03
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液晶显示(LCD)和有机发光二极管显示(OLED)是当前显示技术的主流,其中OLED显示屏已广泛应用于手机、电视等电子产品。近年来,业界提出了迷你发光二极管(mini LED)显示和微型发光二极管(micro LED)显示的概念,通过将发光二极管的尺寸微缩到毫米以下,使显示屏的分辨率、功耗、使用寿命等性能得到大幅优化。


  micro LED尺寸属于微纳级,现有的显示屏生产线还不能满足其精度要求。mini LED尺寸稍大,芯片尺寸介于50微米至200微米之间,量产的难度较小,业界普遍预期其爆发式增长将会很快到来。因此,国内的显示技术厂家开始加紧布局mini LED相关专利,技术竞争暗流涌动。近日,三安光电股份有限公司(下称三安光电)和华灿光电股份有限公司(下称华灿光电)发生专利侵权纠纷,有人士分析这是双方大举发力mini LED前的专利较量。本文从mini LED领域的全球专利申请整体态势出发,基于LED裸芯制造技术、巨量转移技术、对位技术、封装技术等关键领域的技术发展现状,对mini LED产业的专利状况进行分析,以期为行业提供参考。


  专利申请增长较快


  笔者通过incopat平台进行专利检索后发现,截至2020年10月,mini LED的相关专利申请共1273项。最早的mini LED专利申请出现于2001年,之后专利申请量呈现逐年递增但增幅较为平缓的态势,直到2018年至2019年,开始出现快速增长的趋势,年申请量在200件左右,这与业界预期的mini LED即将爆发式增长相印证。


  从申请人国别上看,中国在mini LED领域的专利申请一家独大,约占全球申请总量的七成。经研究发现,国外企业的专利申请主要集中在micro LED领域,虽然其量产条件尚不成熟,但这也体现了国外企业的前瞻性专利布局特点。


  从主要申请人上看,mini LED领域申请量排名前三位的分别是华星光电技术有限公司(下称华星光电)、京东方科技股份有限公司(下称京东方)和深圳隆利科技股份有限公司(下称深圳隆利)。其中,华星光电、深圳隆利关于mini LED的专利申请主题绝大部分为背光模组、显示面板;京东方的布局则较为广泛,申请主题除了背光模组、显示面板之外,还涉及mini LED芯片本身。


  关键技术层层突破


  mini LED是从常规LED到微纳尺寸的micro LED的过渡技术,其最大的特点是LED尺寸的微缩,但其仍然具有常规LED的属性。因此,mini LED的专利竞争,绕不开常规LED基础性专利,此次三安光电和华灿光电发生专利侵权纠纷的涉案专利,便是三安光电从夏普公司购买的常规LED基础性专利。常规LED所面临的主要技术问题,mini LED也会涉及,因此,LED裸芯制造技术同样是mini  LED的关键技术之一。例如,针对外延层之间的晶格匹配以及外延层性能的改进,东莞市中晶半导体技术有限公司通过在外延垒晶衬底与外延垒晶层之间设置氮化镓平台支撑层,提高了后续外延垒晶层的晶格匹配度(公告号:CN210576000U);合肥彩虹蓝光技术有限公司通过采用小台面和大焊盘来最大化利用发光面(公开号:CN111063778A);福建兆元光电有限公司通过P型接触面及电流稳定层、P型电流注入层、缓冲绝缘层、应力释放层、N型电流注入层以及N型接触面及电流稳定层这些特殊功能层的使用,从而解决了mini LED耐电流问题、绝缘层应力问题、绝缘层粘附问题和焊盘与锡膏的粘附力问题(公开号:CN111081832A)。


  除了LED裸芯制造技术,mini LED的关键技术还包括整片LED裸芯制造完成后将其切分成小片(形成mini LED)并安装到印刷电路板时的巨量转移、对位、封装技术。其中,巨量转移技术,即将切割裸芯形成的大批量的微小尺寸LED转移到印刷电路板的技术。mini LED的尺寸极小,采用常规的封装方法在晶圆区域用吸嘴吸取LED芯片,将其转移到指定电路上进行固晶,操作时间较长,吸嘴的吸取力度不好把控,容易造成LED芯片漏抓或者损伤等情况。针对此,厦门多彩光电子技术有限公司提出了设置芯片电极和安装基板分别具有相反的磁性,通过磁性自组装吸附实现巨量转移的技术(公开号:CN109065692A);深圳市丰泰工业科技有限公司提出了通过采用粘性的PET膜一次性转移多个晶片的技术(公开号:CN109950183A);华星光电提出了对芯片喷涂粘性液,通过具有吸附粘性液的转移部件实现对mini LED的精确转移的技术(公开号:CN111341710A);晶能光电有限公司提出了将红光晶片、绿光晶片及蓝光晶片P电极一侧的凸台结构嵌入聚酯薄膜的凹槽的技术,便于贴合透明导电基底及导电基板,从而实现晶片的巨量转移(公开号:CN111063675A)。


  对位技术,即将转移来的微小尺寸的LED裸芯和印刷电路板上的电路对位焊接的技术。mini LED芯片的尺寸和芯片之间的间隙均远小于常规LED,芯片焊盘直径仅为常规LED芯片的焊盘直径的1/10,容易因mini LED芯片和电路板焊盘对位不准而失效。解决方案一般是设置对位标记,或者避免键合(bonding)工艺。例如广东晶格电子股份有限公司在PCB板上设置具有阻焊点的焊盘,用以定位mini LED芯片的安装位置(公开号:CN109257872A);茂丞科技有限公司提出了晶圆级发光面板模组技术,无需切割、对位、转移,直接在发光基板上钻孔、填孔、贴附滤光膜,然后焊接驱动电路基板(公开号:CN111200052A);晶能光电有限公司提出了将电路板和LED芯片排列在支撑膜表面后,用封装胶进行固化,然后用锡膏连接LED芯片电极和电路板,以降低对位的精度要求(公开号:CN109346460A)。


  封装技术,是将焊接到印刷电路板上的大批量mini LED密封从而形成均匀发光器件的技术。由于mini LED芯片之间存在间隙,且每个mini LED芯片的发光角度有限,因而两颗mini LED芯片之间的间隙部分亮度会偏暗,使整个显示面板呈现亮区和暗区交替分布的现象,即“满天星”问题。解决该问题的途径一般是提高出光角度,厦门天马微电子有限公司和华星光电在这方面均进行了颇多的研究,例如在每个mini LED芯片的荧光膜层上对应设置凸起结构(公开号:CN109212831A)、在荧光层上对应设置梯形体结构的光学透镜并在透镜层上设置凹形微结构(公开号:CN109270735A)、将荧光层的折射率设置为小于封装胶的折射率(公开号:CN109459886A)等,以提高光线的照射范围。除此之外,华星光电还提出了在mini LED间填充荧光粉或量子点形成补光区,从而克服拼接位置处的暗线(公开号:CN110349942A),或是通过将荧光膜整面覆膜成型来保证芯片的出光在荧光膜中均匀传导,在拼接缝处光线传导不受阻断(公开号:CN110491866A)。


  技术展望与建议


  目前,mini LED技术处于快速发展期,但专利申请人较为分散,尚未形成稳定格局。国内生产企业可以继续加大巨量转移、对位、封装等关键技术的研发投入,加强专利布局,通过专利交叉许可等手段,扬长避短,更好地打入mini LED这一新兴领域。同时,还要前瞻性地适量布局micro LED技术,避免mini LED盛宴结束时,错过micro LED这一更有前景的市场。(国家知识产权局专利局专利审查协作河南中心 郭学军 史敏娜 孙健)


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