集成电路产业封装测试领域共性技术识别研究*
——基于专利计量的视角
2021-06-24张清辉杨舒茜
■ 张清辉 杨舒茜
兰州理工大学经济管理学院 兰州 730050
0 引言
集成电路产业作为战略性、基础性和先导性产业,是国家信息安全保障和经济社会发展的关键产业。我国集成电路产业规模从2015年的3609.8 亿元提升至2019年的7591.3 亿元,技术水平显著提高升。但其对外依赖程度高、缺少核心技术的问题没有得到根本解决,对国家安全和经济发展构成巨大隐患。集成电路产业的封装测试环节作为产业链中必不可少的下游环节,在集成电路产业中的地位与日俱增。2014年6月,我国发布《国家集成电路产业发展纲要》对产业进行战略性全局规划,与此同时我国加快了产业布局,除晶圆制造之外,封装测试环节作为我国集成电路产业的优势领域也得到了快速的发展。为此国家社会科学基金设立了科研项目——“战略性新兴产业共性技术开发与政策创新研究”,本文是该课题的部分成果,对于我国战略性新兴产业共性技术开发有重要理论意义。
2020年5月6日,工信部批复组建国家集成电路特色工艺及封装测试创新中心。工信部指出要充分发挥我国在封装测试领域的优势,围绕产业结构与发展需求,构建产学研创新体系,突破集成电路封装测试领域关键共性技术,推动我国集成电路产业创新发展。如何识别共性技术来提高封装测试领域技术创新能力以及投入精准化成为一道难题。因此,加强集成电路产业共性技术识别研究对突破集成电路封装测试领域关键共性技术具有重大的现实意义。
1 相关研究
1.1 集成电路产业相关研究
由于集成电路产业共性技术的研发周期长,能否取得成果具有很大的不确定性,以及存在由社会共享研究成果的外部性,中小企业通常难以承担这方面的研究任务,而需要在政府和其他社会组织的资金支持下,由研究院所、研究型高等学校等进行。一般来说,应当以企业为主体。但中小企业受到财力的限制,对一些共性技术,往往需要组织联合机构进行研发,然后转移给企业使用。1973年在中国台湾地区建立的非营利性法人——工业技术研究院在研发和转移共性技术、培训相关人才、培育新创企业等方面,取得了很好的成绩。Hung[1]从企业联盟的角度出发对集成的电路企业绩效进行研究。Hao[2]和Wang[3]分别从周期性、政策性两个不同的角度对集成电路的技术创新影响因素进行研究。Wu[4]和Rajah[5]对从政府支持的角度出发,验证了政府支持无论对企业业绩还是产业技术创新都具有积极影响。Choe[6]、Aaldering[7]、张婷[8]通过专利信息多维度搭建网络,从技术流、知识流的角度对发展趋势进行了预测。Fatma Altuntas[9]和张茗源[10]通过数据挖掘、主题词共现分析,寻找技术之间的关联性。
但是,以上针对集成电路产业的已有研究较为发散,且多针对产业的整体发展规律、运营绩效以及影响因素等领域,而聚焦于集成电路产业共性技术创新的研究则相对缺乏。
1.2 共性技术识别相关研究
1988年,Brain L. Johns 明确提出共性技术的概念,将其定义为是产生一系列新过程和新产品的过程中可以普遍应用的一类通用技术,而共性技术界定的明确标准一直是一个亟待解决的问题,缺乏共性技术的评价标准及机制,会使得政府在共性技术的发展过程中出现失灵现象[11]。通过梳理国内外文献发现,现阶段对于共性技术识别的方法基本都是从定性分析和定量分析两个角度展开。在定性分析方面,虞锡君提出了“三链分析法”、“三结合选择方法”和“市场化选择法”等识别方法[12],于晓勇等学者探讨了基于德尔菲调查法的共性技术识别研究[13],魏春燕和李兆友通过运用三螺旋理论,分析并探讨了了共性技术识别阶段的“双重未知”及在共性技术识别阶段各个主体的功能和协作规律[14]。在定量分析方面,P.Moser 和T.Nicholas 参照HHI 指数的计算方式来对共性技术进行判别。栾春娟将纯定量的分析方法引入共性技术识别的过程中,基于技术贡献率指标与技术相关度指标进行了战略性新兴产业的共性技术识别[15][16]。王海龙在建立综合评价体系的基础上,运用结构洞理论,构建技术领域引用矩阵并采用熵值法对半导体产业基础技术进行识别研究[17]。陈伟提出了一种关键共性技术的识别框架,以LDA算法与隐马尔可夫模型相结合,提取专利文献中的主题词将其特征数值化并衡量其关键性[18]。关于产业共性技术预见,风险管理及如何激励企业进行关键共性技术创新工作有待深入。
综上所述,产业共性技术研究管理体系尚不成熟、技术尚不完备、实践尚未验证。目前关于共性技术测度的定量研究大多数基于专利数据,而专利研究的论文大多集中于对专利分类号等的数字统计分析,以及单独对专利进行引用分析、专利共被引分析等,充分挖掘专利数据,从多角度搭建专利网络从而相互协同进行专利分析的文章和研究还相对较少。
因此本文基于专利数据多角度构建了专利技术网络及专利共被引网络,利用社会网络分析的相关方法及指标,对集成电路产业封装技术领域的共性技术进行了识别研究,并给出发展建议,进一步丰富了相关研究,以期对共性技术的识别预测及日后的投资方向提供参考。
2 共性技术识别方法
2.1 网络构建
2.1.1 节点与边
选取出现批次高的IPC分类号作为专利技术网络的节点,各IPC 分类号之间的共现为各节点间的连边。选取专利作为专利共被引网络的节点,专利与专利之间的引用关系作为各节点间的连边。
2.1.2 边的权重
各节点之间连边的权重代表着各IPC分类号之间的共现强度。为了表示各节点间的共现强度,利用Jaccard系数法对专利技术网络标准化,具体计算方式如下:
式中:S(i,j)——IPC分类号i和IPC分类号j的共现强度
coo(i,j)——IPC 分类号i 和IPC 分类号j 的共现频次
occ(i)——IPC分类号i出现的频次
occ(j)——IPC分类号j出现的频次
2.2 k-核分析
k 核是凝聚子群分析的一类指标,它表示在网络图中任何一个节点都至少有k 个点与该点相连,衡量了一个子图中各节点之间的联系程度及交往能力,不同的k值对应不同的k核,k值的大小与各节点的交往能力网络联系的紧密程度呈正相关。k核的优势在于可以根据数据特征及研究需求决定k 值的大小,从而可以探索一些有助于研究的凝聚子群。
在本文研究中,通过凝聚子群描述技术共现网络内部及IPC 分类号彼此之间的联系。依据k 核衡量IPC 在网络中处于中心地位、中介地位还是边缘地位,之后再进一步探索IPC分类号对应的共性技术领域。
2.3 中心性分析
社会网学者认为行动者因为与他者之间具有依赖关系而具有权力,中心性则是针对权力这个抽象的概念给出的量化指标。在本文的专利分析中主要用到中心度指标来进行分析。中心度分析使用的主要指标分为3种:度数中心度(Degree)、中间中心度(Betweeness)和接近中心度(Closeness)。
度数中心度。度数中心度一般分为绝对中心度和相对中心度。测度了网络中有多少个节点与该节点相连,通过分析,可以了解到抽象点的情况,但度数中心度只代表一个节点与之直接相连的节点数,只能测度该节点的局部影响力,又称局部中心度(local centrality)。在有向网络中,点的度数又可以分为点的入度(in-degree centrality)和点的出度(out-degree centrality),入度表示其他节点指向该节点的节点数,出度表示该节点指向其他节点的节点数。
对于不同规模的网络图,为了比较各图中的局部中心度,Freeman(1979)提出了相对中心度并对其概念进行了阐述:节点的绝对中心度与网络图中节点的可能的最大中心度之比,计算公式为:
C'RD=(x的点入度+ x的点出度)/(2n - 2)
描述网络图整体中心性的中心势计算公式为:
中间中心度。如果在两个节点相互连通的最短路径中,必须要经过某一个节点,那么此节点则处于网络图中的重要地位,中间中心度则是测度重要性的量化指标。它量化了行动者对资源的控制程度,如果一个点处于多点对(pair of nodes)的捷径(最短的途径)上,则该点具有较高的中间中心度。计算公式为:
接近中心度。接近中心度是一个相对独立的测度,其他节点无法对该指标产生影响,测度了单个节点与其他节点间的距离。如果在网络图中一个节点与其他节点的连通路径都具有较短的距离,则这个节点具有较高的接近中心度。计算公式为:
一般来讲,3 种中心度都具有相关关系。如果他们不相关(或相关系数较小),3 种中心度之间可能存在由表1所示的关系。
表1 节点位置特征分析模型
3 数据来源与识别过程
3.1 数据来源
本文研究所采用德温特专利引文数据库作为原始专利信息的数据来源,该数据库是全球最具权威的专利信息收录机构,其专利信息覆盖了全球100 多个国家在内的1 亿条以上的数据,每周的速度动态更新。本文检索出1990~2018 集成电路封装测试领域相关专利,并按照申请数量排序,选取排名前20的专利权人进行分析。
3.2 共性技术识别过程
本文首先对专利数据进行了计量分析,梳理封装测试技术发展的整体趋势;之后通过搭建专利技术领域共现网络,利用社会网络分析中的k 核分析初步确定符合共性技术特征的技术;其次搭建专利共被引网络,通过中心性分析找出重要专利中所包含的技术领域;最后根据k核分析及中心性分析的结果,最终确定出共性技术。
4 实证研究
4.1 专利申请概况分析
在德温特数据中共检索到集成电路封装测试技术的相关专利数据132291 条,共涉及到32987 个专利权人,选取排名前20 的专利权人进行检索,共检索到关于集成电路封测相关技术的专利30380条。
4.1.1 专利申请总量趋势
尽管在目前的环境下,东北航线油船全年运输的经济性没有优势,船舶投资门槛也较高,但相信在我国“一带一路”倡议支持下,随着中俄亚马尔液化天然气项目投产营运,其成功经验的推广,“冰上丝绸之路”巨大潜在价值将上升到现实高度,给予投资者丰厚的回报。
集成电路封装测试技术专利申请量分布图如图1所示。随着集成电路制造技术的不断创新,封装测试技术也随之不断发展。封装测试领域作为集成电路产业的下游产业,技术相对来说比较容易取得突破。从1990年先进封装开始后,专利的申请量就处于上升趋势。随着摩尔定律逐渐终结,集成电路制造技术难度增大、成本不断上升,业界就开始依靠封装测试领域稳固在后摩尔时代的获利。对其进行趋势分析可以发现,拟合优度为0.989,与指数增长的趋势非常接近。
图1 专利申请量分布(SPSS软件截图)
4.1.2 专利权人前20分析
从以图2 和表2 中可以看出,韩国三星电子在封装测试技术中占有较大的优势,其在申请的相关技术专利共有4201 条,占到了全球专利总量的4.3%;其次是国际商业机器公司(IBM),相关技术专利申请量共有1999条,占到了全球专利总量的2.2%;位列第3 的则是镁光科技,共有相关技术专利1721 条,占到了全球专利总量的1.8%。
图2 封测技术专利权人前20专利申请比例
表2 全球集成电路封测专利权人前20强
另外,从图2 可以发现,在封测技术领域中,专利申请量排名前20 的专利权人拥有的专利数量总和占全球专利总量的比重不到1/3。由此我们从专利申请数量上可以看出,集成电路封测技术已经是较为成熟的技术领域,每个公司都有自己的核心技术,不存在垄断现象。
4.2 共现网络的k核分析
运用bibexcel 对专利数据进行分析处理,提取IPC国际专利分类号,结果显示这些专利共涉及5328个技术领域。本文选取共现频次大于100 的技术领域(共164个),借助bibexcel 对这些高频技术领域生成共现矩阵,并运用ucinet进行可视化分析。统计矩阵中技术领域的共现频次并进行排序,得到集成电路产业封装测试领域的技术共吸纳伙伴列表,选取排名前10的技术领域极为可能为共性技术领域。(图3、图4)
图3 IPC技术领域共现网络图
如图4 所示,为了更清晰的看出技术领域共现网络图中的信息与联系,本文利用UCINET 设定阈值,去除技术领域间联系相对较弱的关系及节点并删除孤立节点,所剩的节点间联系都较为紧密,从而得到新的技术领域共现图。之后在图中进行聚类分析,不同的聚类群用不同的颜色表示,代表着不同领域的技术族群。一个节点表示一项技术领域,该项技术领域在整个网络中的影响力越强则对应节点的面积就越大;线条的粗细代表着两项技术领域间的共现强度,线条越粗,则代表两项技术领域间的共现强度越大。
图4 去除弱链接并进行成分分析的IPC技术领域共现网络图
对共现网络图进行进一步分析可以看出,中心度较大的排名前10 的技术领域为H01L-023/48、H01L-021/60、H01L-023/00、H01L-021/56、H01L-023/31、H01L-023/12、H01L-023/498、H01L-025/065、H01L-023/28、H01L-021/50。可以看出排名前10 的IPC 对应的技术领域中,有6 个都是H01L023 方面的技术,该技术领域为半导体器件、半导体或其他固态器件的零部件,能够明显的看出这是集成电路产业中的一类核心技术,其中包括“用于向或自处于工作中的固态物体通电的装置,例如引线或接线端装置”、“安装架,例如不可拆卸的绝缘衬底”、“封装,例如密封层、涂覆物,(按材料特点进行区分的)”等。另一类涉及较多的技术是H01L021 方面的技术,该技术领域为“专门适用于制造或处理半导体或固体器件或其他部件的方法或设备”。唯一出现的技术领域是H01L-025/065,H01L025 方向的技术具体为“由多个单个半导体或其他固态器件组成的组装件”。
图5 k-核分析(部分)
图6 k核分区度量图(部分)
其中最大核为77-核,该核的节点网络是所有节点间联系最紧密最庞杂的网络,该核节点与其他节点的共现次数为77次或77次以上。将77-核IPC共现网络放入UCINET中,利用中心度算法进行计算,识别出处于整个网络核心部位的节点。子网络包含103 个IPC 分类号,占到了排名前164 的IPC 分类号的63%。因此,本文认为在这些共现频次排名靠前且相互间联系最为紧密的技术领域构成的网络中,一定包含着最基础的技术信息,图7将这一类技术领域进行了进一步的分析,呈现出了其共现关系。
从图7中可以看出,技术领域还是集中在H01L021、H01L023、H01L025 这3 大类IPC 分类号,其中还出现了H05K001 和G06F017 等技术领域。图中的节点两两联系较为紧密,中心度较大,共现次数较多,因此我们可以暂时认为这些IPC分类号所对应的技术领域为集成电路产业封装测试技术领域内的共性技术。
图7 77-核网络图
综上所述,结合中心度算法、k 核算法及技术领域共现分析,符合共性技术特征的IPC分类号如表3所示
4.3 专利引用网络中心性分析
将专利共被引网络放入UCINET 进行中心度分析,如图8 所示,按照相对度数中心度的大小对专利进行排序,选取相对度数中心度排名前20 的专利,视为整个封装测试技术专利共被引网络中最为核心的专利,如表4所示。专利有较高的中心度代表了与其有直接关系的专利较多,该项专利在局部网络具有较大的影响力,是封装测试领域的核心专利,拥有重要的研究意义。
表4 度数中心度排名前20专利信息表
图8 被引专利共现网络图
图谱中最核心的度数中心度最高的节点是US5380681-A,被引次数69 次,是由台湾的专利权人联华电子股份有限公司于1995年在美国专利局申请的专利,被引次数有该专利名称是“Three=dimensional multichip array package”,发明内容为“制造具有支持并与密集堆叠的次级集成电路半导体器件阵列互连的集成电路主半导体器件的三维多芯片阵列封装。”其主IPC号为H01L-021/60。
依据相对中间中心度大小对专利信息进行排序,排名前20 的专利如表5 所示。由社会传播学理论可以得知,专利间相互引用的关系构成了整个网络,知识间的流动性体现在了网络间的联系中,中间中心度较大的专利在各个专利的交流中扮演着“中间人”的角色,其他专利间得通过这些专利才能取得联系,起到了“桥”的作用,成为专利共被引网络中的核心专利,代表着封装测试领域中最关键的技术。处于“桥”的位置的技术领域,往往引领着一个新的技术领域或新兴产业,由此可以推测一个技术领域在网络中若具有较高的中间中心度,则该技术领域可能为共性技术。并且由上表可知,中间中心度排名前十的专利与度数中心度排名的专利有极高的重合度。
表5 中间中心度排名前20专利信息表
具体来看,相对中间中心度排名第1 的是US5477082-A,对应的主IPC 分类号为H01L-023/12。该专利处在网络的中心位置,对其他的专利有绝对的影响性。该专利是由专利权人EXPONENTIAL TECHNOL‐OGY INC于1996年5月在美国专利局申请的专利,该专利名称为“Bi-planar multi-chip package for inter-circuit communication”,发明内容为封装包括顶部和底部管芯,以及片状绝缘载体层。顶部和底部管芯分别在朝下和朝上的有源区域上具有焊盘。片状载体具有顶部和底部导电层,在顶部和底部导电层中形成有互连件的载体端子焊盘图案。该片材具有在顶部和底部导电层之间电连接载体端子垫的通孔。
由表6 可知,中间中心度排名前10 的专利的主IPC分类号与k-核分析所得出的具有共新技术特征的IPC分类号基本一致,都集中在H01L-021、H01L-023、H01L-025 中,唯一在中间中心度排名前10 中出现的G01R-031/02 是G01R031 方面的技术,该技术领域为“电性能的测试装置;电故障的探测装置;以所进行的测试在其他位置未提供为特征的电测试装置”。该技术领域用于较低的度数中心度而中间中心度却比较高,则证明该技术领域的少数合作对于网络流动来说至关重要。根据其技术内容可知,该技术属于集成电路测试领域中与其他技术联系较紧密的技术,也可以认为其为共性技术。
表6 中间中心度排名前10专利详细信息表
综上所述,结合中心度算法、k 核算法、技术领域共现分析、专利网络中心性分析,仍然符合共性技术特征的IPC 分类号如表7 所示,本文认为这些技术是集成电路封装测试领域的共性技术。
表7 共性技术IPC分类号极其含义
5 结论与展望
共性技术识别研究可以促进产业的突破与创新,并为产业发展的路径与政府投资方向提供参考,刚好的帮助产业技术开发从跟踪模仿转变为自主创新使其更具竞争力。本文借助包含丰富的技术创新成果的载体专利信息,结合专利技术的共现及共被引对共性技术进行了识别研究,得出以下结论:
第一,通过对封装测试技术的专利申请概况分析发现,封装测试技术在一直呈指数增长,并且没有出现垄断现象。由此可以推断,在未来几年内,该技术依旧会持续增长,我国在其中优势非常明显。但在先进封装特别是高端先进封装方面,我国落后国际最先进的技术2~6年。而需要先进封装的产品都是HPC、存储器等高性能产品,由于这些产品涉及到企业的核心技术及竞争力,国际领先的集成电路企业如三星,都是自己做设计、制造及封测,加大了国内封测企业开发这些先进技术的难度。因此,我国产业链上下游企业应该协同发展,在集成电路全球价值链中由低端走向高端。
第二,通过本文技术领域共现网络的k 核分析以及专利共被引网络的中心性分析,综合指标分析的结果来看,集成电路封装测试领域的共性技术集中在H01L021、H01L023、H01L025 及G01R031 等共涉及到蚀刻工艺、封装涂层、引线装置、安装架、电性能测试等工艺流程。共性技术是集成电路产业发展的重要推动力,集成电路产业史上几次重大的技术突破皆是依靠共性技术创新完成的,它主要解决的是基础产业的关键问题,能够有效促进产业升级。如果我国能在这些技术方面进行创新突破,则会大大提高产业竞争力。
在接下来的研究中,可以在此研究的基础上,进行集成电路产业制造领域、设计领域的共性技术识别研究,找出我国在集成产业技术发展的薄弱环节,加快产业共性技术突破步伐。使其成为支撑我国经济持续增长并在全球竞争中保持终极优势的战略性要素,并对集成电路产业不同环节的技术创新效率进行研究,使集成电路产业共性技术研发投入由“大水漫灌”变为“精准投入”,突破集成电路产业共性技术制约因素,提升集成电路产业技术创新能力。