《专利深一度》之高端通用芯片3D集成技术篇
摘要:目前,世界各国都高度重视3D集成技术的研究,它已成为提高系统集成度和增强系统性能的关键技术。基于行业发展需求,国家知识产权局专利分析普及推广项目高端通用芯片课题组从3D集成中国专利现状与趋势、3D集成关键技术TSV、3D集成热管理等三个视角出发,对高端通用芯片的3D集成技术进行了深度剖析。
专利离你很远,专利其实离你很近。举个例子,未来如何让手机功耗更低功能更强,寄望于3D集成技术。中国的集成电路产业正在逐步进入3D芯片领域,其专利态势如何,本文为您细分析。
目前,世界各国都高度重视3D集成技术的研究,它已成为提高系统集成度和增强系统性能的关键技术。使用3D集成技术可以把不同类型的元器件堆叠在一起,不仅广泛应用于手机、大容量存储器等民用领域,还越来越多地受到RF组件、T/R模块、小型传感器等应用领域的青睐,必将在未来小型化、多功能微系统应用中大显身手,可以说,3D集成技术已经成为16/14nm工艺中的关键技术之一。3D芯片热管理技术是3D芯片领域的研发热点,技术更新比较快。从产业发展水平来看,中国的集成电路产业虽然正在逐步进入3D芯片领域,芯片制造能力持续增强,但在3D芯片热管理方面才刚刚起步,远远落后于国外水平。
基于行业发展需求,国家知识产权局专利分析普及推广项目高端通用芯片课题组从3D集成中国专利现状与趋势、3D集成关键技术TSV、3D集成热管理等三个视角出发,对高端通用芯片的3D集成技术进行了深度剖析。
一、3D集成中国专利现状与趋势
从专利年申请量方面来看,3D集成技术的中国相关专利申请总体呈现快速增长趋势。截至2015年5月31日,3D集成技术中国专利申请总申请量为1113件。
图1是涉及3D集成技术的专利申请在中国范围内历年申请量的年份分布折线图,折线图清楚地显示了该技术领域申请量自1996年以来随时间变化的趋势。
从1996年到2006年为缓慢发展期,一共有123件专利申请,大约占全部申请量的11%。从2007年到2011年为快速发展期,一共有516件专利申请,大约占全部申请量的46%,在这一阶段3D集成技术高速发展,并且在2011年达到顶峰,一年申请量达到191件。而从2012年至今为整固发展期,一共有474件专利申请,大约占全部申请量的43%,2012年申请量较2011年有所回落,虽然在一定程度上受到专利申请的公开滞后的影响,但2013-2015年,3D集成技术的专利申请量仍然处于高位状态,表明3D集成技术的研发活动仍然处于活跃期。同时也从另一个角度表明中国是3D集成技术目前和未来一段时间内的重要生产和应用市场,具有巨大的市场潜力。虽然3D集成技术中国专利申请出现年代较晚,但是中国专利申请趋势与全球专利申请趋势比较类似,专利申请量增长也较为迅速,尤其是近几年来呈现出陡坡式增长,逐渐缩小了与全球专利申请的差距。
二、3D集成关键技术——TSV
3D集成TSV领域中国总申请量为547件,大约是3D集成技术中国全部专利申请量的一半,而且根据目前3D集成技术的发展来看TSV是3D集成的关键技术。
图2为关键技术TSV的中国专利申请热点研究技术路线图,其中:第一阶段为2000年至2004年,主要是3D集成TSV技术的形成TSV的基础专利申请,主要涉及3D集成TSV的蚀刻、背部减薄、平坦化等;在经历了4年左右的形成3D集成TSV的基础专利申请的基础上,迎来了3D集成TSV专利申请的第二阶段,第二阶段为2005年至2010年,主要涉及通过释放或消除应力来提高3D集成TSV电学性能和机械性能的专利申请;又经过了大约5年的发展,进入了3D集成TSV技术专利申请的第三阶段,时间为2011年至今,主要涉及3D集成TSV的填充、填充材料以及导电层的形成方法,主要是用于提高TSV的电学和机械性能以及TSV的其它应用。根据上述分析以及TSV技术本身、并结合3D集成的产业特点来看,未来3D集成TSV技术的发展方向可能是通过改进刻蚀来继续提高硅通孔深宽比、通过热处理来改进填充导电层的空隙率、通过设置应力释放结构和添加材料来减小应力、先形成导电层而省略刻蚀和填充的技术以及将TSV用于传输光信号等新技术。
根据目前掌握的现有专利数据的初步分析,以及对3D集成技术本身并结合3D集成的产业特点来看,3D集成技术的发展可以考虑基于现有TSV结构进行新结构的研究开发,以3D集成TSV技术的填充工艺为突破口,加强对填充新材料和新应用相结合的研发力度,例如在TSV中填充碳纳米管、光纤等材料,另外,也可以结合对TSV填充材料而关注TSV的新应用,抢先进行专利布局,形成一定的技术优势,来带动3D集成TSV技术工艺研发的全面发展。
三、3D集成热管理
图3显示出了3D集成热管理全球专利申请的主要技术分布情况(单位:项)。从该图3可以看出,涉及采用热交换器的专利是最多的,其中包括采用散热器、导热衬底、可导热的引线框架、散热焊点、风扇或施加表层导热层。其次是硅穿孔互连TSV以及转接板。涉及其他技术的专利数量相对较少,包括采用层间填充材料、微流体冷却通道、多芯片热源设计以及添加温度传感器等。
下面参考图4对3D芯片热管理的全球技术发展路线进行分析。1994年起在全球开始陆续出现涉及3D芯片热管理方面的专利。1994-2001年的专利技术主要涉及芯片主要部件以及基本结构的改进,包括采用散热性能较好的层间材料、转接板、导电插塞以及在结构设计上减少垂直堆叠和互连。直至目前,3D芯片热管理方面的专利大部分仍涉及基本结构和部件的改进。2002-2008年新出现的技术改进点涉及芯片附加部件的改进,包括使用热沉散热器、散热黏胶、设置流体冷却通道。此外随着器件小型化技术的发展,减小多芯片总高度的专利技术也开始出现。2009年后新出现的技术改进点依然是对芯片附加部件的改进,但出现了一些新兴的技术点,例如使用热传感器、增加芯片间热时配缓解装置、利用风扇散热。此外,随着计算机辅助设计能力的提高,热量分布计算分析方法也在近年用于3D芯片的辅助设计上,但目前涉及这些技术点的专利申请还比较少,但体现了本领域新的发展方向。
全球的研发方向主要在于热交换器和TSV。由于这两个研发方向是热管理方面的主流技术,因此国内企业应在这两方面加强研发工作。同时,热量分步计算分析技术和芯片间热失配缓解装置以及在3D芯片中增加热传感器是近年来较新出现的技术,具有比较大的发展潜力,而国外申请人基本上还没有就这些方面的技术在国内进行专利布局,因此国内研发主体可以在这些方向上加强研发以争取领先地位。(国家知识产权局专利分析普及推广项目高端通用芯片课题组)
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