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3D 芯片热管理技术的专利分析 | 题目
白若鸽，章放 | 作者
国家知识产权局 | 单位
摘要：本文以专利为切入点，探索 3D 芯片热管理技术的竞争态势和研发方向。以经过遴选的中国专利文摘数据库中的 3D 芯片热管理相关技术专利为研究对象，从专利的申请状况、申请人的重要技术点、技术研发趋势等方面，研究中国 3D 芯片热管理技术的专利发展情况，希望通过对 3D 芯片热管理的专利技术分析，对业内人士有所启示和帮助。
关键词：3D 芯片；热管理；专利分布
随着集成电路的研发步入后摩尔时代，器件的特征尺寸已趋近物理极限，现有器件的基本原理和构造已很难满足超级计算机更高的性能需求。所以，在当前的微系统开发过程中，半导体技术逐渐朝异构集成、小型化以及多功能化方向发展，越来越多的系统芯片将进入 3D 时代。3D 芯片及封装技术的核心是硅通孔垂直互连以及芯片堆叠集成，以突破摩尔定律限制下的 MOS 器件及铜互连进一步微缩导致的趋于严重的 RC 延迟效应与互连传输速度瓶颈，以及传统封装技术无法满足更高密度互连和封装微缩化的瓶颈。当今，各国相关领域企业都非常注重 3D 集成技术的研发，作为提升器件集成度和加强器件性能的重要技术，3D 集成技术能够把各种类型的元器件层叠在一起，不仅能够普遍应用于手机、大容量存储设施等，还能用于RF组件、T/R 模块、小型传感器等。因此，3D 集成已成为芯片制造工艺中的一项关键技术。
当集成电路的功率密度达到传统冷却极限时，热管理就成为一个非常关键的课题。本文针对目前3D 集成芯片热管理的技术进行专利检索，根据本领域专利文献探讨 3D 芯片热管理技术在中国的专利布局、技术发展现状和趋势，从而为相关科研人员的研发方向提供参考。
01 3D 芯片热管理技术专利分析
检索的专利文献库采用中国专利摘要数据库（CNABS），该数据库对中国专利文摘信息覆盖全面准确。将检索结果进行人工浏览筛查，获得本领域专利文献 1172 件。从专利文献量能够看出，3D芯片热管理技术在业内开展了大量研发，并已经申请了大量专利。下面以上述专利文献为研究对象，从专利类型、年度申请情况、申请人分布以及技术分布等多个角度展开分析。
1.1 专利类型
在 1172 件涉及 3D 芯片热管理的专利申请中，发明专利申请有 998 件，约占 85%，其余为实用新型，发明专利几乎是实用新型专利申请量的 5 倍以上。这表明在 3D 芯片热管理领域的专利中，发明专利是主体，起主导作用，3D 芯片热管理技术及创新水平整体较高。下面的专利分析将围绕上述 998件发明专利申请展开。
1.2 专利申请年度分析
图 1 为 3D 芯片热管理发明专利申请量年度分布图。在该技术领域，中国专利申请早在 1993 年就已经开始出现，这也大致符合 3D 芯片的发展历程。在 2000 年之前，受制于当时的技术水平以及器件需求，3D芯片的热管理技术并未得到普遍重视。直到 2001 年，随着器件设计和制造能力以及对芯片散热需求的提高，3D 芯片热管理技术的研发才开始取得明显进展，专利申请量呈现显著增长的趋势。尤其是 2015 年后，年申请量一直保持在 90 件左右。从历年的发展趋势来看，今后 3D 芯片热管理技术的相关专利申请数量仍会不断增长。
图1 3D 芯片热管理技术领域专利申请量年度分布图
1.3 主要专利申请人分析
1.3.1 申请人分布情况
图 2 显示了 3D 芯片热管理技术相关专利申请人的排名情况，从中可以看出申请量排名靠前的以外企和中国台湾地区的企业为主。其中，IBM 的申请量达到了 18 件，优势较为明显。其次是英飞凌和中国台湾的南茂科技，都有 15 件专利申请。江苏长电科技是申请量最大的中国大陆企业，有 14 件专利申请。三星、英特尔、矽品精密工业公司也都有一定数量的申请。此外，个别高校和科研院在该领域也申请有专利，如中科院微电子所和华中科技大学。
图2 3D 芯片热管理专利申请人分布情况
1.3.2 主要申请人的专利技术分析
1.3.2.1 国际商业机器公司（IBM）
IBM 是全球知名的公司，创立于 1911 年，总部位于纽约。IBM 在大型机、小型机以及便携机（ThinkPad）等多个计算机产业处于领先水平，同时物理、化学、材料等学科也有很高的成就。在 3D 芯片热管理方面，IBM 的专利申请涵盖多方面的改进，包括导热结构和材料的设计和选择，以及计算机辅助设计等。例如，CN1110094C 提供一种可消除热应力、控制膨胀的电子组件及其制造方法。发明点在于在芯片的主面上形成槽。将芯片堆叠起来，各层芯片之间用膨胀材料以及液体黏合剂进行黏接。即使在热膨胀时，膨胀材料和芯片的膨胀速率不同，膨胀材料也能够通过流动入槽而缓解热应力。
CN100383936C 描述了一种制造含多个垂直堆叠芯片的方法。晶片是通过聚酰亚胺热塑性材料来互相键合，并利用晶片中的柱栓实现电互连。柱栓连接在晶片的上表面的开口的横向尺寸大于通孔的尺寸。此外，各晶片中的通孔无须贯穿晶片的前表面和后表面。器件区下面有横向延伸的导体，用来连接后表面的通孔。这样晶片的导电路径能够引至器件下面。柱栓作为垂直导热路径，有效满足了热传导的需求。
CN103681517A 涉及一种半导体芯片叠层的冷却方法，包括在第一侧制成具有电路的第一芯片；制成通过连接器格栅以电气方式和机械方式耦接到第一芯片的第二芯片；将热界面材料垫板放置在第一和第二芯片之间，热界面材料垫板包括平行于第一和第二芯片的配合面排列的纳米纤维、垂直于第一和第二芯片的配合面排列的纳米纤维，纳米纤维是纳米管。
CN103488264B 通过计算机系统来优化 3D 叠层芯片的散热。基本步骤包括：测试并计算叠层芯片的各个通道及不同区域的散热效果参数、流值以及温度值等，比较这些数值，并以此为依据调整流入不同通道和区域中的液体流量，各个流程都使用计算机装置执行。
1.3.2.2 南茂科技股份有限公司
南茂科技于 1997 年成立于新竹市，业务涵盖高密度的存储器产品、逻辑产品及混合信号产品的封装、测试及加工。南茂科技的专利申请主要涉及封装及堆叠中的散热结构方面的改进，例如：CN100593231C 涉及一种多芯片堆叠的封装方法，包括提供由内外引脚构成的导线架，各内引脚群的末端间隔相对排列且各配置散热鳍片；散射鳍片上有金属间隔件。这一堆栈封装方法可提高散热性能。
CN101388381B 描述了一种多芯片堆叠结构，其中，第一芯片背离基板的上表面设有第二金属焊垫，该焊垫上设有多个金属凸出物；第二芯片的第一面通过黏着层与多个金属凸出物固接；由于金属凸出物明显高于金属导线，增加了芯片与金属焊垫的黏着面积，使芯片不容易脱落，且易于散热。
CN102915979A 描述了一种芯片封装结构，其中，在芯片的背面形成金属层，且于金属层上形成金属球。其提供的芯片封装结构，散热面积大，提升了小尺寸芯片上形成散热结构的可行性及便利性。
CN102931150B 描述了一种无外引脚的封装结构，其中，引脚悬臂与芯片座周缘局部重叠。其可大大缩短引脚和芯片间的距离，避免了焊线过长导致的导电性能降低，也利于散热。
1.3.2.3 英飞凌科技公司
英飞凌科技公司于 1999 年 4 月 1 日在德国慕尼黑正式成立，业务涵盖有线和无线通信、汽车及工业电子、内存、计算机安全以及芯片卡市场。其专利主要提供先进的半导体产品及完整的系统解决方案，例如：CN101290930B 的发明点为半导体器件包括设在半导体芯片之间的绝缘中间片，连接芯片、中间片和外部端子的连接元件，以及位于半导体器件下侧上的可表面安装的外部接触。其提供的半导体器件可以减小半导体芯片叠层的热效应，改善布线。
CN104134638A提供了附接于芯片的冷却结构。芯片通过与冷却流体交互而直接散热。
CN103515256B 的核心方案是一种制造芯片封装的方法：在载体之上形成芯片层；在芯片层上形成进一步的载体材料 , 如此重复上述工艺直至形成多个载体和芯片叠层；然后选择性地移除载体材料的多个部分，由此可以从载体材料释放芯片层的多个部分；经由芯片层将包括多个接触垫的芯片附着于载体之上。载体可包括导电薄板。上述方法能够有效解决现有嵌入晶圆级封装的翘曲、变形、耐久性及不良导热率的问题。
1.3.2.4 江苏长电科技股份有限公司
江苏长电科技股份有限公司的业务涵盖分立器件制造、集成电路封装等。江苏长电在该技术领域的申请量排名第四，也是申请量最多的内地企业。其专利主要涉及利于散热的封装工艺，例如：CN103390567B 提供一种先蚀后封的三维系统级芯片凸点封装方法，包括在基板背面电镀金属线路层；在基板正面电镀金属柱子；在基岛正、反面分别植入芯片，并进行塑封。本装置提升功能集成度，减少占用空间；改善散热，避免干扰信号传输；提高基板利用率；实现系统与功能的隐秘性及保护性；减小线宽、线距。
CN103400769B 也提供了先蚀后封的三维芯片倒装凸点封装结构及方法，其在基岛正面设置有第一芯片，在背面倒装有第二芯片，第一芯片正面与引脚之间用金属线相连。这种设计解决了传统金属引线框或多层线路板无法埋入芯片而限制封装集成度的问题，改善了整个封装结构的散热效果，提高了基板的利用率，线宽线距可以小于 15 μm。
1.3.2.5 三星电子株式会社
三星是韩国最大的企业集团，业务涉及广泛。其在 3D 芯片散热方面的专利主要涉及利于散热的封装工艺，例如：CN101459147B 的核心方案是用于封装半导体芯片的散热片，散热片主体的一面用于叠置引线框架和半导体芯片；散热片主体周围向外有多个延伸部分，每一延伸部分包含远离主体中心方向延伸的触角，并且位于封装树脂注入口的延伸部分其触角延伸方向与封装树脂的注入方向呈预定大小的夹角，便于注入封装树脂。最终效果是保证了半导体芯片的散热，并防止了注入封装树脂时产生气泡，提高了封装件的可靠性和良率。
CN102347303B 的发明点是在封装体中，在引线框架的芯片置盘的中央设置有开口，引线穿过开口将芯片与内引脚连接；经注塑成型后使最外侧的芯片的背面暴露。
02 3D 芯片热管理技术发展趋势及相关建议
3D 集成芯片的热管理是制约 3D 芯片应用的关键问题，尤其是高功率芯片，优异的散热性能是保证其能够正常使用的基本条件。因此，各企业围绕热管理开展了大量的研发工作。自 2001 年后，该领域的专利申请量增长较为显著。从专利申请人的统计来看，基本是以企业为主，可见，企业对 3D芯片热管理技术的发展发挥了主要推动作用。其中，申请人主要是以 IBM、英飞凌、三星等为代表的外企，说明国外企业在该领域的研发居于领先地位。近年来，国内的高新科技企业也开始投身到 3D 芯片热管理的技术研发中，而且随着技术的不断进步，在本领域的研发也已经逐渐占有一席之地。
3D 芯片热管理方面的大多数专利主要涉及芯片主要部件及其基本结构的改造，例如：使用导热性好的材料和利于散热的结构设计。此外，还包括附加部件的改造，如采用流体冷却通道、散热黏胶、热沉散热器等。随着器件小型化技术的进步，致力于减薄多芯片堆叠结构的总体高度的技术也开始在专利申请中出现。近年来，在某些新兴的技术点也涌现出一些专利，如设置芯片间热失配缓解装置、热传感器的使用、计算机辅助的热量分布计算分析方法等。尽管目前涉及这些新兴技术点的专利申请还不多，但也体现了未来的技术发展趋势。
在 3D 芯片热管理的相关专利技术中，改进方向主要是 TSV 和热交换器。由于这两个部件直接影响芯片的散热能力，是 3D 芯片散热的主要途径，发展也较为成熟，应作为重点研发方向，以不断缩小与国外领先企业的差距。同时，与计算机相关的热量计算分析技术、芯片间热失配缓解技术和 3D 芯片中的热传感器技术虽然出现较晚，相关技术的专利申请还比较少 , 但发展潜力很大，所以也可以在这些新兴的技术点上加强研发，以争取领先优势。
参考文献 略 原文信息 DOI：10. 16280/j. videoe. 2020. 05. 013
