半導體行業60年專利戰略的變遷
2020-08-05 11:20:45 EETOP編譯自techinsights如今，半導體行業是一個龐然大物，其年銷售收入超過了4,000億美元。已有60多年的歷史，這個成熟的行業嘗試了各種模式，例如集成設備制造商（IDM），無晶圓廠（fabless)和代工概念，每種模型都采用了不同的知識產權（IP）策略。在1960年至1970年的早期階段，設計集成電路是一項艱巨的任務，因為它需要專業的工程師，這些工程師在沒有EDA工具的幫助下必須手動創建電路和布圖。這將R＆D限于少數能夠負擔得起此昂貴流程的制造商。那時，制造商的專利集中在產品的各個方面。
20世紀80年代初，EDA工具開始出現在市場上，導致流程的標準化，使更多的參與者能夠進入制造領域。這種標準化有助于分割設計和制造過程；現在可以在一個地方設計，在另一個地方制造。由于制造變得極其昂貴，并且需要定期升級設備和工藝，因此這是一個巨大的解脫。這種分裂催生了各種分類，如IDM、fabless和代工。IDM包括資源最豐富的巨頭，如德州儀器、英特爾和IBM。他們可以獨立完成設計、制造、封裝測試全套IC設計生產流程。此外還制造邏輯和存儲器設備，這使得他們的產品組合擁有廣泛的專利。圖1描述了1990年德州儀器(TI)的4MB CMOS DRAM。該器件采用了溝槽電容進行數據存儲。德州儀器公司不僅設計了該DRAM，而且還在美國自己的工廠制造了該器件并進行了全部封裝。如今TI已經不再制造任何存儲器產品，但它們仍在繼續通過其龐大的知識產權資產獲利。
無晶圓廠模式采用自己設計產品，但依靠代工廠來制造的方式。因此，無晶圓廠公司僅專注于其產品可帶入市場的功能和應用，而因此申請專利。高通公司是采用無晶圓廠模式的先驅者之一，這種模式直到今天仍然適用。圖2用于比較高通不同時期得芯片，一張是90年代后期的，另一張是其最新器件之一。左側的圖像帶有芯片標記，表明該芯片是由Intel制造的，右圖是三星制造的。
代工廠一直面臨著制造挑戰，例如缺陷密度，蝕刻選擇性和高縱橫比結構的填充，因此需要不斷尋找解決方法。他們解決的每個主要問題都獲得了專利。在接下來的10年中，無晶圓廠和代工廠的專利組合仍然相距甚遠。隨著時間的流逝，許多IDM退出了半導體行業或采用了無晶圓廠代工模式。維持整個半導體工藝的挑戰需要巨大的資源和精湛的技術。
千年之交在半導體技術領域取得了長足的進步，包括IBM在1997年推出了銅互連，后來被所有其他邏輯制造商采用。銅互連通過Cu-Damascene結構的錯位和電遷移問題帶來了新的挑戰，例如化學機械拋光銅和鉭基阻擋層。解決了所有這些問題，并獲得了來自不同制造商的大量工藝專利。這一時期還經歷了摩爾定律的最高峰，該定律指出，芯片上的晶體管數量每兩年翻一番，從而使制造電子設備的成本便宜得多。在此期間，制造了多種芯片用于多種應用。這些芯片安裝在不同類型的印刷電路板上，并且根據輸入/輸出的數量，其配置可能會從引線鍵合，倒裝芯片，針柵陣列，表面安裝技術等變化。這些封裝配置及其工藝差別很大，必須由一個完整的獨立公司來承擔。20世紀90年代末，外包組裝測試（OSAT）應運而生。當時，無晶圓廠代工模式已經在亞洲建立了生產基地，而設計仍在美國和歐洲。OSAT將其傳播范圍進一步擴大到亞洲的其他國家。OSAT在測試設備和封裝設備以及后端工藝專利方面做得非常出色。人們不應該忘記，少數IDM，他們緊盯著整個工藝，為封裝行業的許多重要里程碑做出了貢獻，如球柵陣列、倒裝芯片銅柱工藝等。到了2000年代中期，有四個不同的組織（IDM、晶圓廠、無晶圓廠和OSAT）在開發自己獨特的IP。
2007年推出的iPhone破壞了芯片生態系統的現狀。組裝在一起的智能手機占用的空間很小，包括顯示屏、觸摸屏、相機、麥克風、揚聲器、電池、傳感器、天線、Wi-Fi連接、內存、處理器、存儲等，更不用說所有存在于日常操作中的不同類型的軟件。隨著智能手機的發展，創新的緊湊型封裝，優化不同設備之間的互連結構以及為處理器提供強大的計算能力成為了迫切需要。智能手機將普通大眾連接到互聯網，使大量數據的傳輸成為可能，從而需要更好的數據收集和處理。數據組織需要市場上尚不可用的專用處理器。這種需求迫使公司滿足這一需求。結果，設計公司，代工廠和軟件公司之間的界限變得十分模糊：代工廠開始涉足設計和封裝。尤其是作為領先的晶圓代工廠之一的臺積電，更是將其產品組合擴展到了各個領域。如今，臺積電為包括蘋果在內的多家公司生產芯片，并開發了自己專有的集成扇出(InFO)封裝技術，即把堆疊的DRAM裸片放置在嵌入式處理器的頂部，其成型化合物上有再分布線。圖3是臺積電最新推出的一款封裝產品，主要用于蘋果處理器。
同樣，微軟、蘋果和谷歌等數據公司也開始為他們的應用設計芯片。這就造成了半導體工藝的重新整合；不同組織的融合導致了專利在組合交叉處的產生。未來，隨著5G等技術的出現，來自不同團體的專利將更加混雜。
最近，我看到了一份關于5G的詳細景觀報告，由Drewent公司的Ed White介紹。其中一個主要的收獲是，5G頂級受讓方（三星、蘋果、華為、高通、愛立信和諾基亞）的發明可以分為三十七個技術類別。這六家公司擁有41%的5G專利，而且他們都不具備任何制造能力（三星是個例外）。盡管如此，它們都申請了各種技術類別的專利，包括醫療、教育、農業、汽車、多種接入方案、天線和增強型移動寬帶。如此廣泛的產品組合表明，將一家公司歸入一個單一的框框，并為其指定一個獨特的專業領域是非常困難的。軟件公司、IDM、晶圓廠和無晶圓廠都在整個不同的范圍內申請專利。
考慮到在5G時代，某些現有配置將出現新的應用，情況變得更加復雜。例如，5G的一項杰出技術是大規模MIMO（多輸入多輸出）技術。MIMO被配置為允許無線網絡通過單個無線電信道發送和接收多個數據信號。為了實現這一點，在同一平臺上需要多個天線。結果，未來的智能手機將具有更復雜的天線結構。這個概念已經打開了一種新穎的封裝應用，稱為封裝天線（AIP）或（AOP），它是嵌入式扇出封裝的子集。嵌入式扇出封裝的設計旨在在封裝中集成有源和無源器件（例如天線，電感器和電容器）。英飛凌是嵌入式扇出封裝的先驅之一，其嵌入式晶圓級球柵陣列（eWLB）于2008年開發，并授權給STATS ChipPAC、ASE和Amkor。這三家OSAT公司對原來的想法做了進一步的發展，提供了在封裝中集成多種致動器和致動器的解決方案，包括天線結構；這鼓勵了許多其他參與者加入扇出技術社區。當英飛凌于2019年為Google Pixel 4智能手機構建了精確的運動檢測設備技術時，他們沒有使用嵌入式扇出技術便做到了這一點。他們在印刷電路板中加入了天線。
除了分類界限消失外，知識產權（IP）不斷易手的事實也使專利格局更加復雜。根據IAM編輯R.Lloyd的說法，2020年第一季度，美國專利交易數量最多，資產轉手金額最大。事實上，自2010年對專利交易進行跟蹤監測以來，2020年出現了最大的知識產權流動。IBM、LG和諾基亞是一些最主要的賣家，而大多數買家是非實踐實體，然而臺積電、三星和索尼是前五大買家之一。顯然，半導體行業已經從一個DRAM專利只適用于特定產品的時代發展到了今天。今天，該技術仍然被分割成許多專業領域，但同時不同類別之間的接口比以往任何時候都更加流暢。由此產生的專利格局充滿了挑戰，但也為知識產權實踐提供了機會。保護自己的知識產權沒有單一的策略，一個可能的方法是接受開放創新的概念。開放式創新的主要理念是整合或接受來自外部組織的想法和技術，以增強自身的創新能力[7]。這使得半導體公司能夠專注于自己的核心優勢，并依靠與其他公司和/或研究聯盟在其不具備所需技術的領域進行大規模合作。在此希望未來的知識產權注重創造力的出現，這也是半導體行業的特點。
