《专利深一度》之高端通用芯片3D集成技术篇

　　（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）

　　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。