60年半导体产业及其变化专利战略

供稿人:Arabinda达斯

今天,半导体行业是一个庞然大物年销售收入跨越US $ 4000亿。超过60年的存在,这个成熟的行业已经尝试了各种型号等集成设备制造商(IDM),无晶圆厂,和铸造概念,每个采取了不同的知识产权(IP)战略。

在早期阶段,从1960年到1970年,设计一个集成电路(IC)是一项艰苦的任务,因为它要求专门的工程师,在没有电子设计自动化(EDA)工具的帮助下,必须手工创建电路和布局。这将研发工作限制在少数能负担得起这一昂贵过程的制造商。在那个时候,制造商的专利集中在他们产品的各个方面。

在80年代初的EDA工具开始出现在市场上领先于使许多更多的玩家进入制造领域的流程标准化上。这种标准化有助于分裂两种设计和制造工艺;它现在可以在另一个制造地点和设计。这是一个巨大的安慰制造业变得非常昂贵,而且需要定期更新的设备和工艺。这种分裂催生了各种分类,如IDM,无工厂和铸造。

IDMs包括最有能力的组织,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。他们还制造逻辑和存储设备,这给他们的投资组合增加了广泛的专利。图1描述了来自Techinsights库的1990年德州仪器(TI) 4MB CMOS DRAM。该装置采用沟槽电容进行数据存储。德州仪器公司不仅设计了DRAM,而且还在他们自己的美国地点制造和包装它。今天,德州仪器不再制造任何内存产品或逻辑处理器,但他们仍在继续将其庞大的知识产权资产变现。

早期的DRAM(1989- 1990年)从IDM德州仪器

图1:早期DRAM(1989-1990)从IDM德州仪器

无晶圆厂模式设计自己的产品,但依靠代工厂进行制造。因此,无晶圆厂企业对自己的产品能带给市场的功能和应用程序完全浓缩,因此,他们申请的专利。高通公司是先驱者之一已经接受今天成立甚至无晶圆厂模式。图2图像是从高通 - 一个在九十年代后期创建并且另一个是其最近的设备中的一个;无论是在TechInsights的分析。左边的图像具有管芯的标记,其指示该芯片是由Intel制造的。右边的图像是由三星制造。

从不同时期的无晶圆厂公司高通的两台设备

图2:来自无晶圆厂公司高通公司两个设备从不同的时间

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.

2007年iPhone的推出打破了芯片生态系统的现状。占地面积小的智能手机包含显示器、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、存储等等,更不用说为方便日常操作而存在的各种软件了。随着智能手机的发展,创新新的紧凑的封装,优化不同设备之间的互连结构,并为处理器提供强大的计算能力变得非常必要。智能手机将普通民众与互联网连接起来,并使大量数据的传输成为可能,从而带来了更好的数据收集和操作的需求。数据组织需要市场上还没有的特定于应用的处理器;这种需求迫使公司满足这种需求。结果,设计公司、铸造厂和软件公司之间的界限变得非常模糊:铸造厂开始参与设计和包装。特别是台积电,作为领先的代工企业之一,在多个领域扩大了其投资组合。如今,台积电为包括苹果公司在内的多家公司生产芯片,并开发了自己的专利集成扇出(InFO)封装技术,即堆叠的DRAM模具放置在嵌入式处理器上,而嵌入式处理器在其模塑料上有再分配线。图3显示了台积电最新的包装产品之一,主要用于苹果处理器。

集成的扇出从台积电包装

图3:集成扇出从铸造TSMC包装

同样,像微软,苹果和谷歌数据公司开始设计芯片为他们的应用。此创建的半导体工艺的重新整合;不同组织的趋同导致了在投资组合的交集创造专利。在未来,将有来自与技术,如5G出现各种团体的专利更大的组合。

最近,我遇到的5G详细的趋势报告,从Drewent [2]由Ed白色呈现。其中一个主要的外卖的是,最高5G受让人(三星,苹果,华为,高通,爱立信和诺基亚)的发明可以分为37技术类。这六家公司拥有5G的专利41%,其中没有任何制造能力(三星是个例外)。不过,他们都在各种技术类别,包括医疗,教育,农业,汽车,多种接入方式和天线,以及增强的移动宽带已经申请专利。这种广泛的产品组合表明,这是非常困难的一个公司归类到一个机箱中,并为其分配一个唯一的专业化。软件公司,整合组件制造商,代工厂和无晶圆厂是在整个,不同的光谱中所有申请专利。

情况变得更加复杂的考虑,在5G的时代,新的应用程序会出现一些现有的配置。例如,5G的突出技术之一是大规模MIMO(多输入多输出)技术。空分复用被配置为允许在无线网络中发射和通过单个无线电信道接收多个数据信号。要做到这一点,多天线需要在同一平台上;因此,未来的智能手机将有更复杂的天线结构。此概念已开通的新型封装称为天线在封装(AIP)或封装(AOP),其是嵌入扇出包装的子集应用的天线。嵌入式扇出包装物设计成包含活性物质和无源器件(如天线,电感器和电容器)在包中。英飞凌的嵌入式扇出包装的先驱和它们的嵌入晶圆级球栅阵列(的eWLB)于2008年开发并授权给科金朋,ASE和安靠之一。通过提供解决方案,以整合多种活性物质和无源器件的封装,包括天线结构做了进一步的发展,原来的想法三个OSAT公司;这鼓励了许多其他玩家加入扇出技术社区。 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,他们把天线装在印刷电路板上,如从在TechInsights的[4,5]进行结构分析推导出。这进一步加强了最现代的科技巨头正在拥抱的跨学科思维。今天,有在直接参与在扇出晶片级封装至少十个公司[3],其中有八个OSAT球员。

除了明确的界限消失,专利景观进一步的事实,知识产权(IP)是不断变化的复杂的手中。根据IAM编辑R.劳埃德2020年第一季度是美国专利交易最多、资产转手最多的季度[6]。事实上,2020以来看到2010年的时候被监测的专利交易的跟踪IP的最大运动。IBM,LG和诺基亚是一些最突出的卖家,而大部分买家都是非执业实体,但台积电,三星和索尼是前五大买家中。显然,半导体工业已经改变,从一个时间,一个DRAM专利是只适用于特定的产品。如今,技术仍然裂成许多专业领域,但在同一时间不同类别之间的界面比以往更流畅。得到的专利态势是挑战,但也充满了知识产权实践的机会。没有为保护自己的知识产权没有单一的策略;前一种可能的方式是接受开创新的概念。主要思路开放式创新整合或接受来自外部组织的想法和技术,以增强自身的创新能力[7]。这使得半导体公司能够专注于自己的核心优势,依靠与其他公司和/或在他们不具备所需的技能领域的研究财团大规模合作。这里的希望,知识产权的未来专注于创意的出现,这是如此的特性半导体产业的发展。同时,TechInsights的是继续跟踪科技的进步和密切关注专利正在发生的变化。

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参考文献:

[1] https://www.semiconductors.org/the-2020-sia-factbook-your-source-for-semiconductor-industry-data/
[2]在5G景观寻找机会,通过埃德白色,IAM冬季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] Infineon 6TR13C包2019简报,Techinsights
[6] https://www.iam-media.com/non-practising-entities/new-data-points-bumper-first-quarter-of-patent-deal-making
[7]你需要知道的关于开放创新的一切
开放创新和知识产权是把双刃剑

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