半导体行业60年的发展及其专利战略的变化

作者:Arabinda Das

今天,半导体产业是一个庞然大物,其年销售收入跨越US $ 4000亿。在其60年的历史中,这个成熟的行业已经尝试了多种模式,如集成设备制造商(IDM)、无生产线和铸造概念,每一种都采用了不同的知识产权(IP)策略。

在早期阶段,1960年和1970年之间,设计集成电路(IC)是因为它需要专业工程师谁,没有电子设计自动化的帮助下,艰苦的任务(EDA)工具,必须手动创建的电路和布局。这种有限的R&d的少数厂商谁能够负担得起这种昂贵的过程。当时,厂家有自己的专利是围绕他们的产品的各个方面。

在20世纪80年代早期,EDA工具开始出现在市场上,导致了过程的标准化,使得更多的参与者进入了制造领域。这种标准化有助于将设计和制造过程分开;现在可以在一个地方设计,在另一个地方制造。这是一个巨大的安慰,因为制造变得非常昂贵,并需要定期升级设备和流程。这种分离产生了IDM、无生产线和代工等不同的分类。

IDM厂商包括最足智多谋的组织,如德州仪器,英特尔和IBM。他们有一个完整的概述,从设计阶段到产品。它们还制造其中添加专利广谱到他们的投资组合逻辑和存储器件。图1从TechInsights的库描绘了1990德州仪器(TI)4MB CMOS DRAM。此装置采用用于数据存储的沟槽电容器。德州仪器不仅设计的DRAM,而且还制造设备和包装这一切在美国自己的网站。今天,TI不制造任何更多的内存产品或逻辑处理器,但他们仍然继续赚钱的庞大的知识产权资产。

早期DRAM(1989-1990)来自IDM德州仪器

图1:IDM德州仪器的早期DRAM (1989-1990)

无晶圆厂的模型自己设计产品,但依赖铸造厂生产。因此,无晶圆厂的组织只专注于他们的产品能带给市场的功能和应用,并相应地申请专利。高通是采用无生产线模式的先驱之一,这种模式至今仍适用。图2图片来自高通,一个是90年代后期,另一个是他们最新的设备;Techinsights对两者进行了分析。左边的图像有芯片标记,表明芯片是由英特尔制造的。右边的图片是三星制造的。

从不同时期的无晶圆厂公司高通的两台设备

图2:两款来自无晶圆厂高通的设备

代工厂人不断面临的制造等的缺陷密度,刻蚀选择性的挑战,和高纵横比结构的填充,从而需要不断寻找解决方法。他们解决了每一个主要的问题,导致了专利。在接下来的10年中,无厂和铸造厂的专利组合仍然相当明显分开。随着时间的推移,许多IDM厂商退出了半导体行业或采用无晶圆代工模式;的挑战,以保持整个半导体处理所需要巨大资源和诀窍。

千年之交看到了在半导体技术领域很大的进步,包括在1997年推出铜互连由IBM,后来通过其他逻辑制造商。铜互连的铜镶嵌结构和电迁移问题带来了新的挑战,如铜和钽基屏障的化学机械抛光,通过错过的对齐。所有这些问题都得到了解决,并从不同的制造商所产生的工艺专利丰盈。这一时期也经历了摩尔定律,其中指出,晶体管的芯片数量增加一倍每两年因此使得制造电子设备便宜得多的成本的顶点。在此期间,各种芯片制造了用于应用的过多。这些芯片被安装在不同类型的印刷电路板的,并根据输入的数/输出它们的配置可能从引线键合而改变,以倒装芯片,针栅阵列,表面贴装技术,等等。这些包的配置和其过程是如此不同,他们不得不通过一个完整独立的组织吸收。将外源化组装测试(OSAT)出生于上世纪90年代末。而设计留在美国和欧洲的无晶圆代工模式已经建立了其在亚洲的生产场所。该OSAT进一步扩展其蔓延到其他亚洲国家。 OSAT did a formidable job of testing the devices and packaging them and patenting the back-end process. One should not forget that a few IDMs, who kept a close eye on the entire process, contributed to many significant milestones in the packaging industry, such as the ball-grid array, and flip-chip copper pillar process. By the mid-2000s there were four distinct groups (IDM, foundries, fabless and OSAT) developing their own distinct IP.

芯片生态系统的现状是通过在2007年智能手机引入iPhone的在小型脚印尺寸组装破坏具有若干组件,如显示器,触摸屏,摄像头,麦克风,扬声器,电池,传感器,天线,Wi-Fi连接,内存,处理器,存储和更不要提所有不同类型的软件,该软件中,以方便日常操作。随着智能手机的发展,它成为了一个可怕的必要性,创新新的紧凑型封装,优化不同设备之间的互连结构,以及处理器提供强大的计算能力。智能手机连接广大市民到互联网,并取得大量可能的数据传输,在需要更好的数据收集和处理后继。所需的数据组织这不是在市场上尚未有专用处理器;这种需求的公司施压,以满足这一需求。其结果是,在设计房子之间的代工和软件企业的边界线,变得相当模糊:铸造厂开始卷入与设计和包装。特别是,领先的代工厂台积电之一,扩大其投资组合中的各种领域。今天,TSMC制造芯片的各种公司,包括苹果,并已开发它自己的专有的集成扇出(INFO)封装技术,在其中堆叠DRAM裸片放置在具有在其模塑料再分布线的嵌入式处理器的顶部。台积电,它主要用于苹果处理器的最新包装产品的图3显示了一个。

集成扇出包装从代工台积电

图3:集成扇出包装从铸造台积电

同样,像微软、苹果和谷歌这样的数据公司也开始为他们的应用程序设计芯片。这创造了半导体工艺的再整合;不同组织的融合导致专利在组合的交叉点产生。未来,随着5G等技术的出现,将会有更多来自不同集团的专利组合。

最近,我看到了Drewent[2]的Ed White提交的一份关于5G的详细报告。其中一个重要的结论是,顶级5G受让方(三星、苹果、华为、高通、爱立信和诺基亚)的发明可分为37种技术类别。这六家公司拥有41%的5G专利,没有一家拥有制造能力(三星是例外)。然而,它们都在各种技术领域申请了专利,包括医疗保健、教育、农业、汽车、多接入方案、天线和增强移动宽带。如此广泛的投资组合表明,将一家公司归类到一个单一的盒子中并赋予它独特的专业化是极其困难的。软件公司、IDMs、铸造厂和无晶圆厂都在一个完全不同的领域申请专利。

考虑到在5G时代,一些现有配置将会出现新的应用,情况变得更加复杂。例如,5G的突出技术之一是Massive MIMO(多输入多输出)技术。MIMOs被配置为允许无线网络通过单个无线电信道传输和接收多个数据信号。为了实现这一点,需要在同一平台上安装多个天线;因此,未来的智能手机将拥有更复杂的天线结构。这一概念打开了一个新的包应用程序,称为包中天线(AIP)或包上天线(AOP),它是嵌入式扇出包的一个子集。嵌入式扇出封装被设计成在封装中包含有源器件和无源器件(如天线、电感器和电容器)。英飞凌是嵌入式扇出封装的先驱之一,他们的嵌入式圆片水平球栅阵列(eWLB)是在2008年开发的,并授权给了STATS ChipPAC、ASE和Amkor。三家OSAT公司进一步发展了最初的想法,通过提供解决方案,在包中集成多种有源和被动,包括天线结构;这鼓励了许多其他玩家加入扇形技术社区。 When Infineon built a precise motion detection device technology for the Google Pixel 4 smartphone in 2019, they did it without using their embedded fan-out technology. Instead,它们掺入的天线在所述印刷电路板,这是从Techinsights进行的结构分析中推断出来的[4,5]。这进一步强化了大多数现代科技巨头所采用的跨学科思维模式。今天,有在直接参与在扇出晶片级封装至少十个公司[3],其中8个是OSAT玩家。

除了彻底的界限消失之外,知识产权(IP)不断易手的事实也使专利的前景更加复杂。根据我的编辑R. Lloyd的说法2020年第一季度,美国专利交易的最大数量和资产换手量最大[6]。事实上,自2010年专利交易受到监控以来,2020年是知识产权最大规模的转移。IBM、LG和诺基亚(Nokia)是最著名的卖家,而大多数买家都是非实践实体,不过台积电(TSMC)、三星(Samsung)和索尼(Sony)都在前五大买家之列。很明显,半导体行业已经从DRAM专利只适用于特定产品的时代走到了今天。今天,该技术仍然分散在许多专门领域,但与此同时,不同类别之间的接口比以往任何时候都更加灵活。由此产生的专利格局是具有挑战性的,但也充满了知识产权实践的机会。保护个人知识产权没有单一的策略;一个可行的方法是接受开放创新的概念。的主要思想开放式创新集成或接受来自外部组织的理念和技术,以提高自己的创新[7]。这使得半导体公司能够专注于自己的核心优势,并依靠与其他公司和/或研究联盟在自己不具备必要技能的领域进行大规模合作。我们希望知识产权的未来聚焦于创新的出现,这是半导体行业的特点。与此同时,Techinsights正在继续跟踪技术进步,并密切关注专利领域的变化。

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参考文献:

[1] https://www.semiconductors.org/the - 2020 -新航概况-你- - -半导体行业data/来源
[2]《识别5G领域的机遇》,作者:Ed White, IAM winter 2019
[3] https://semiengineering.com/fan-out-wars-begin/
[4] https://www.infineon.com/cms/en/about - infineon/press/press releases/2019/infpmm201910 - 003. - html
[5]英飞凌6TR13C包简报2019,TechInsights的
[6] https://www.iam-media.com/non-practising-entities/new-data-points-bumper-first-quarter-of-patent-deal-making
[7]所有你需要知道的关于开放式创新
开放式创新和知识产权权利为的双刃剑

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