半导体领域专利分析——先进封装 - 金杜律师事务所

后摩尔时代的崛起

自1954年硅晶体管面世后，半导体行业全面进入了技术发展的快车道。1965年，戈登·摩尔在《Electronics》杂志上提出了摩尔定律：“每隔18个月，同样面积内晶体管数量翻倍，但是价格不变”。长期以来，芯片制程迭代速度一直遵循着摩尔定律的规律。但自2015年开始，受短沟道效应和量子隧穿效应的限制，摩尔定律已逐渐失效，7nm、5nm制程的芯片量产进度均落后于预期，甚至现在芯片制程工艺已逼近物理极限1nm，集成电路行业正式进入了后摩尔时代。

就如何延续摩尔定律，后摩尔时代的技术路线基本按照3个不同的维度演进：

“More Moore”，继续延续摩尔定律的路径，使用创新半导体制造工艺缩小芯片制程；

“More than Moore”，发展在之前摩尔定律演进过程中未开发的部分，通常会让非数字功能（例如射频通信、电源控制、被动组件、传感器、驱动器）从板级转变到特定的系统级封装或系统级芯片的潜在解决方案[1]；

“Beyond CMOS”，发明在硅基CMOS遇到物理极限时所能替换的新型器件，量子器件、自旋器件、磁通量器件、碳纳米管或纳米线器件等能够实现自组装的器件是超越摩尔方向研究的热点。

在上述后摩尔时代的背景下，以先进封装为代表的“More than Moore”路线缓缓走向舞台中心，目前已成为延续摩尔定律最有效的技术途径之一。先进封装是对应于先进制程而衍生出来的概念。目前全球芯片封装产业可分为五个发展阶段，自第三阶段起的封装技术统称为先进封装技术。

封装行业的第一阶段和第二阶段分别是是通孔插装和表面贴装技术。第三阶段是面积阵列封装，特点是用体积更小的焊球点代替引线，通过芯片倒扣的方式进行倒装以提升晶体管密度，主要包括球栅阵列封装（BGA）、芯片尺寸封装（CSP）、晶圆级封装（WLP）等技术。第四阶段是异质整合，主要包括多芯片组封装（MCM）、系统级封装（SiP）、凸点工艺（Bumping）等技术。第五阶段是3D堆叠，特点是将多个芯片在垂直方向上进行封装，主要包括微机电机械系统封装（MEMS）、扇出型封装（Fan-Out）、倒装芯片（Flip-Chip）、硅通孔（TSV）等技术。[2]

先进封装技术在提升芯片性能方面展现的巨大优势，吸引了全球各大主流IC封测厂商在该技术领域的持续投资布局。在2023年6月份推出的应用在Mac Studio和Mac Pro上的M2 Ultra芯片就是通过UltraFusion 3D封装架构将两个M2 Max芯片互联，打造出了一款M2系列中性能最强的SoC芯片。

随着进入后摩尔时代，全球的半导体产业逐渐进入调整期，风险与机遇并行。当先进制程难以推动硬件设备的快速发展之时，先进封装技术已经成为半导体行业的重要发展路线之一。我国政府对于先进封装技术领域给予了高度重视，更是将其视为半导体产业突破封锁的重要方式。2021年，中国国家科技体制改革和创新体系建设领导小组第十八次会议就特设专题讨论了面向后摩尔时代的集成电路潜在颠覆性技术。

为了更好的说明先进封装技术领域的发展历程和我国本土企业的发展现状，本文在对专利数据进行统计和分析的基础上，结合对市场信息的解读，尝试对先进封装的发展脉络进行解析。

先进封装专利全球概览

图1 先进封装技术领域全球专利申请趋势及授权情况（2009-2023）

图1展示了近15年来，以INPADOC专利家族为统计单位，全球集成电路封装行业先进封装技术领域的专利申请趋势及专利授权情况。由于专利申请信息公开的滞后性，近三年的数据并未获得完整统计。下图可以看出先进封装技术领域的专利申请数量总体呈增长趋势，且授权比重较为稳定，为70%左右，这是该技术领域一直保持积极创新的象征，行业主体持续保持研发能力，行业内新技术不断涌现。

图2 各国/地区头部企业的专利申请趋势

图2展示了截至目前，对美国、中国大陆、日本、韩国、中国台湾共5个国家/地区在先进封装技术领域专利申请量前5的企业进行了近20年专利申请量的比较，可以看出在2011年之前，美日台三地企业在先进封装技术领域的专利实力大致相同，韩企则领先于上述三地企业。

然而，由于政府政策和市场动态等各种因素的影响，各国企业技术和创新的竞争格局随着时间的推移而发生了明显的变化。自2011年以来，美国和中国台湾企业的申请量一直处于稳步上升的趋势，相比之下，从专利申请数量上来看，韩企的研发重心逐渐从先进封装偏离，申请量逐渐萎缩，直至2018年韩企重启研发，专利申请量开始显著增长，并于2021年重回世界第一梯队。此外，上图中值得注意的是，日企虽然在20年前处于国际领先水平，但近20年内申请量大幅衰退，甚至近些年的申请量几乎衰退为零，在先进封装技术领域上的技术创新已经难以窥探到日本企业的身影。相对于上述国家/地区，中国大陆在先进封装上的发展明显起步较晚，至2010年专利申请量才开始明显增长，至今仍未达到美、韩、台三地企业的水平，但从曲线趋势来看大陆企业或即将迈过技术积累初期，迎来技术创新的稳定增长。

图3 各国/地区头部企业的专利海外布局情况

图3展示了针对美国、中国大陆、日本、韩国、中国台湾共5个国家/地区在先进封装技术领域专利申请量前5的企业持有的专利，INPADOC同族中国家/地区的数量为2个及2个以上的专利占比情况。下图可以看出日本企业虽然在该技术领域逐渐衰退，但始终重视技术的全球专利布局战略，海外布局的专利占比一直维持在70%以上；美国企业在海外布局的专利占比虽然在2018年期间或因美国对中国进行制裁的原因导致了一定程度的下降，但美企在2020年迅速恢复了其全球布局的专利申请策略；相对而言，中国大陆企业因为前期专利数量较少，因此虽然海外布局专利的比例高，也不具有代表性，但2015年之后随着专利数量的增多，海外布局的专利比例也缓慢增长，但总体占比仍较低。

图4 各国/地区头部企业在中国大陆的专利布局占比

图4以在中国大陆范围内持有专利数量前50的企业作为分析样本，展示了各国/地区的企业在中国大陆的专利占比。下图可以看出先进封装技术领域中的主流国家/地区均对中国大陆市场给予了较大程度的重视并布局了大量的专利。其中，中国台湾企业在中国大陆的专利布局占比最多，达到了34%；而中国大陆的本土企业相关专利的占比仅为23%，相对于美国企业（16%）和韩国企业（15%）并没有形成显著优势，从专利数据来看难以形成强有力的产品竞争地位，在该技术领域的研发和资金投入仍有待加强。

根据上述的专利数据不难看出，各国家/地区对于先进封装技术的研发兴趣日渐浓厚，发展迅速且潜力巨大的市场规模无疑是其主要原因之一。据 Yole数据[4]，2022 年全球先进封装市场规模为 443亿美元，到 2028年全球先进封装市场规模预计达到786 亿美元，2022 年-2028 年全球先进封装市场规模的复合年增长率预计达到10.6%，2028年时先进封装相较于整个封测市场的规模占比有望突破 90%。中国大陆的先进封装市场规模同样有望快速成长，据Frost & Sullivan数据，中国大陆的先进封装市场增长迅速，预计2025年大陆的先进封装市场规模为人民币1137亿元，但预计同年先进封装在大陆的整个封装市场中占比仅为32.0%，与全球先进封装市场占比（2022年约占整个封装市场的48%）相比仍有较大差距，这也表明着中国大陆的先进封装市场有着巨大的改进空间和增长潜力。

机遇当头，风险亦存

对于大陆企业来说，在先进制程发展被封锁、难以快速推进的情况下，先进封装为国产替代开辟了新思路，其有望提升中国集成电路产业的综合竞争力，成为我国集成电路产业发展逆境中的突破口之一。

诚然，上述专利数据所表明的中国大陆本土企业在先进封装领域与国际领先企业的差距不可忽视，但中国巨大的市场给先进封装行业提供了广阔的发展和应用空间。长远来看，大陆本土企业有国内甚至拓展至全球的需求作为驱动，具有极大的发展潜力达到国际一流水平，实现半导体产业的弯道超车。在这个过程中，企业的研发与专利并行至关重要，大陆企业不仅需在国内市场继续加大专利布局力度，还需积极开展国际专利布局，以确保在快速发展和变革的全球化市场中赢得国际竞争主动。

但同时，企业的经营风险与行业的快速发展也相伴而生，在大陆企业与国际头部企业的技术差异仍然存在的现状下，技术人员或研发团队的区域性流动不可避免，如何有效规避职务发明、商业秘密等知识产权风险则成为了且应当成为相关企业在当下最应该关注的问题。就研发型企业尤其是初创企业而言，知识产权扮演的正确角色应当是企业应对市场快速变化的重要抓手，保障企业研发的顺利进行，而不应当成为企业发展道路上的“绊脚石”。如何正确把握知识产权既变成了投资界和企业管理层共同面对的挑战，也成为了塑造企业未来发展方向的关键考量。

去年8月底，我国5G手机芯片的推出成为了全球半导体产业的里程碑事件，其纯国产化的特性无疑将成为中国芯片制造的全新节点，其先进封装的技术需求也将对中国先进封装的全产业链起到强有力的市场支撑。在此技术大潮下，中国先进封装的产业技术也必将迎来发展新机遇，我们期望其能够在自主化的道路上完成产业链各环节的价值重塑，更能够助力中国的半导体产业技术早日同样跻身“遥遥领先”的队伍。

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