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深度解读芯片测试:三大机器贯穿全流程,国产设备突飞猛进

原标题:深度解读芯片测试:三大机器贯穿全流程,国产设备突飞猛进

看点:测试设备贯穿芯片制造的整个流程,对于芯片的性能和可靠性至关重要。

随着芯片制程越来越小,其工艺难度也呈指数型上升。以10nm工艺为例,全工艺步骤数超过1300道,7nm工艺则超过1500道,其中任何一道工艺出错都可能导致生产的集成电路不合格,拉低良品率。

因此,为了及时发现不稳定因素、提高生产良率,测试环节贯穿在集成电路的生产流程里,测试设备则是其中的关键。

本期的智能内参,我们推荐来自长江证券的半导体测试设备报告,详解了半导体测试过程、设备分类、以及国内外市场格局。

测试设备贯穿生产流程:探针台、分选机、测试机

正如开篇提及,集成电路工艺繁多复杂,其中任何一道工艺出错都可能导致生产的集成电路不合格,拉低良品率。因此,测试环节对于集成电路生产而言至关重要。

集成电路测试设备不仅可用于判断被测芯片或器件的合格性,同时还可提供关于设计、制造过程的薄弱环节信息,有助于提高芯片制造水平,从源头提高芯片的性能和可靠性。

集成电路的测试环节,主要包括芯片设计中的设计验证、晶圆制造中的晶圆测试(CP测试)和封装完成后的成品测试(FT测试)。

集成电路测试设备主要包括测试机、探针台和分选机。在所有的测试环节中都会用到测试机,不同环节中测试机需要和分选机或探针台配合使用。

1、设计验证阶段:验证芯片设计有效性,对测试设备需求少

芯片设计公司通常会使用半导体测试设备对晶圆或芯片样品进行测试,以验证芯片样品功能和性能的有效性,并指导芯片设计。设计验证阶段对测试设备需求较少。

2、晶圆测试阶段:测试机+探针台,测试晶圆,节省封装成本

晶圆测试又称为CP测试,是指在晶圆制造完成后和进行封装前,通过探针台和测试机配合使用,对晶圆上的每一个芯片晶粒进行功能和电参数性能测试的过程,是晶圆制造的最后一道工序。晶圆测试一般在晶圆厂、封测厂或专门的测试代工厂进行,主要用到的设备为测试机和探针台,此外还有定制化的测试电路板和探针卡,探针卡上装有探针。

晶圆测试过程:首先将探针卡固定到测试电路板上,然后把测试电路板安装到测试机的机头上,再将测试机头倒置于探针台上。探针台上部有孔供探针卡插入。一旦安装完毕,测试机、测试电路板、探针卡和探针台都固定不动,探针台内部的机械手臂控制晶圆移动,并将每一颗芯片晶粒上的接触孔对准探针,然后向上顶使探针准确插入晶粒的接触孔,最后完成测试。

接触孔的直径通常都是1-2um级别,因此,晶圆测试对探针台的精度要求非常高,如果稍有偏差,探针将有较大可能扎坏晶圆,因此,探针台的技术难度较大。

晶圆测试的目的是把好的和坏的晶粒分别挑出来,并进行标记形成晶圆的Map图,此后只对性能良好的晶粒进行封装,以节省后续的封装成本。

3、成品测试阶段:测试机+分选机,测试芯片,提高良率

封装测试又称为FT测试或终测,一般在封测厂完成,是指芯片完成封装后,通过分选机和测试机配合,对每一颗芯片进行电参数性能测试,保证出厂的每颗集成电路的功能和性能指标能够达到设计规范要求,目的在于提高出厂芯片良率。封装测试主要用到测试机和分选机,此外还有定制化的测试电路板和底座。

成品测试的过程:分选机将待测芯片逐个自动传送并放入测试底座。底座和测试电路板把芯片的引脚与测试机的测试板卡连接,测试机对集成电路施加输入信号、采集输出信号,判断集成电路在不同工作条件下功能和性能的有效性。

最后,测试结果通过通信接口传送给分选机,分选机据此对被测试的集成电路进行标记、分选、收料或编带。

成品测试的目的是把好的和坏的芯片分别挑出来,只有好的芯片才会被销售给终端客户,以保证芯片出货时的良率。

测试机定制化,探针台、分选机通用

测试机、探针台、分选机所应用的环节并不相同,其技术难度也各有差异。测试机属于定制化设备,探针台、分选机则更加通用。

1、测试机由机身和内部的测试板卡构成,均由测试机厂设计和制造。

测试机机身是一种标准化的设备,内部可以插入不同的测试板卡。测试机厂会设计出一系列的测试板卡,每一种测试板卡可以满足对某些功能的测试,测试厂在做芯片测试的时候,需要根据芯片的功能特性选择不同的测试板卡进行搭配。

此外,每一种芯片都需要编写一套特有的测试程序。因此,测试机的定制性主要体现在测试板卡的定制和测试程序的定制。

当一款芯片更新换代时,测试机的机身不需要更换,内部的测试板卡则会根据接下来要测试的芯片做调整,测试程序则一定需要更新。

2、探针台和分选机则是相对通用设备,适用范围较广。

探针台主要根据晶圆尺寸选型,分选机主要根据芯片封装方式和测试并行度要求选型。不同的晶圆和芯片,通常不需要对探针台和分选机做太大改动。

测试行业尤其是测试机行业,更多的工作是软件的编写,包括底层的对设备的控制程序,和上层的对芯片的测试程序。

底层的控制程序类似于操作系统,不同品牌的测试机的控制系统不同,而上层的测试程序类似于应用软件,在该种测试机的控制系统的基础上编写,每一款芯片都有自己定制化的测试程序。

测试机、探针台和分选机三类测试设备的技术难度对比来看,测试机和探针台技术难度相较分选机而言更高。

测试机、探针台和分选机三者为独立销售的设备,测试机、探针台和分选机生产厂商在研发时均已考虑了不同厂商产品之间搭配使用的可行性,在产品和连接线设置上均有行业通用接口,可实现不同厂商不同类型设备的搭配组合,无须从同一厂商配套采购。

但在实际采购设备时,测试设备的定制化属性决定了该行业特殊的业务模式,即通用设备通常由晶圆厂和封测厂自行决定采购,而定制化设备则由芯片设计公司主导设备品牌的选择:

1)探针台和分选机属于通用设备,通常由晶圆厂或封测厂自主采购;

2)测试机、探针卡、测试电路板和底座均属于定制化设备,由芯片设计公司根据自己芯片的特点指定供应商,再由晶圆厂和封测厂进行采购。封测厂和晶圆厂自主决定购买的定制设备相对较少。

测试设备难度较低,有望率先突破国际壁垒

集成电路设备主要包括硅片制造设备、晶圆加工处理设备、封装设备和测试设备等,由于集成电路制造工序复杂、流程较长,不同环节所需设备各不相同,且技术难度及价值量也存在明显差异。

总体而言,光刻机、刻蚀机等晶圆加工处理设备技术壁垒更高、难度更大,由全球少数几家巨头垄断。

而测试设备的技术门槛相对稍低,国产测试设备有望在各种半导体设备中率先突围。

从半导体设备分产品市场规模占比情况来看,半导体设备所占市场份额与技术难度基本成正比,技术难度更高的产品享有更高市场溢价。

晶圆处理设备占比最大,原因在于在集成电路制造、封装、测试等环节中,晶圆制造工艺最为复杂、工序最多、技术壁垒最高,设备成本也更高。

2018年晶圆处理设备、封装设备、测试设备和其他设备的市场规模分别约为502、54、40和25亿美元,市场规模占比分别约为80.8%、8.7%、6.4%和4.0%。

目前,全球集成电路先进测试设备制造技术基本掌握在美国、日本等集成电路产业发达国家的厂商手中。

在测试机市场,美国泰瑞达(Teradyne)和日本爱德万(Advantest)为双巨头,合计占据了测试机市场80%以上份额,且近年份额呈现不断提升趋势。

探针台技术壁垒较高,市场也处于双强垄断态势,东京电子和东京精密两家日本公司占据了绝大部分市场份额。

分选机技术难度相对较低,目前没有在技术上绝对领先或在市场份额上处于绝对垄断地位的龙头,竞争格局相对较为分散,主要的参与者包括美国Cohu、日本EPSON、日本爱德万、新加坡STI、中国台湾的鸿劲和中国大陆的长川科技等。

回望国内,目前国内的测试设备企业长川科技、北京华峰、佛山联动、北京冠中等已经取得一定突破,进入了长电科技、华天科技、通富微电、日月光等海内外知名封测厂。

国内厂商在分立器件测试机、模拟测试机和分选机等中低端领域实现或部分实现了国产替代,并在数字测试机、探针台等难度较大的测试设备领域已有布局,但探针台和高端测试机依旧由海外龙头垄断。

在近来中美贸易摩擦背景下,半导体设备的国产替代进程或将加速,遵循先易后难的逻辑,国产测试设备有望在各种半导体设备中率先崛起。

测试设备需求攀升,大陆封测产业发达

测试设备通常寿命较长,更新需求较少,最主要的需求是新增需求。影响测试设备新增需求的四大因素包括下游芯片需求、芯片复杂度、半导体产业转移和测试的并行度。其中最核心的影响因素是下游芯片需求和芯片复杂度。

近年来,芯片的复杂度不断攀升,测试设备的需求受芯片复杂度提升和下游景气度波动双重影响。

2015年至2018年,随着半导体产业景气度上升,全球半导体测试设备销售额迅速增长,至2018年达到约54亿美元。

2018年下半年来,全球半导体产业景气度有所下滑,预计2019年测试设备市场需求同比2018年略有下滑,全球市场空间预计超过50亿美元。

随着供应链去库存、5G需求拉动等因素,预计2020半导体产业景气度将恢复,半导体测试设备市场空间有望超过60亿美元。

回望中国。近年来,中国大陆半导体设备市场需求增长迅速,据SEMI预测,2019年中国大陆半导体设备市场在全球占比或达约20%。

分产品来看,2019年中国大陆数字测试机市场空间约30~35亿人民币,存储器测试机市场空间约8~9亿人民币,模拟测试机市场空间约5~6亿人民币,分选机和探针台市场空间则各约9至10亿人民币。

行业竞争激烈,国产替代加速

测试设备市场近年来竞争日趋激烈,行业整合加速。

2011年爱德万收购惠瑞捷,高端测试机市场形成了泰瑞达和爱德万双寡头垄断局面。而泰瑞达和爱德万之外的测试机公司,则在中低端市场竞争激烈,相互之间不断整合。LXT、Credence、ECT和Multitest经过一系列合并、并购整合,成为全球第三大测试机公司Xcerra,但收入体量仍与泰瑞达和爱德万差距较大,2018年Cohu收购了Xcerra。

而从2018年以来,国产半导体测试设备向中国大陆外市场拓展和在中国大陆市场的国产替代进程均明显提速。

国产替代进程提速是因为中国本土芯片设计公司近年来蓬勃发展,对芯片测试的需求增长迅速,但受中美贸易摩擦影响,供应链的安全日益受到重视,国产测试设备将得到更多的试用机会,在中低端模拟测试机和分选机领域,国产替代明显提速。

国产测试设备加速海外拓展,短期因素,是近期中国大陆封测厂设备采购支出低迷;长期因素,是国产设备在模拟、电源等细分领域技术实力增强,逐步参与全球竞争。

自2018H2以来,国内封测产业投资低迷,设备采购支出萎缩,促使国产测试设备公司加速向海外扩张。

北京华峰的模拟测试机早年已在中国台湾和东南亚展开销售,并在美国、日本、意大利设立办事处,目前海外收入占比已超过30%。

长川科技在中国香港和日本设立子公司,并在中国台湾设立办事处,加快公司国际化步伐,推广其模拟测试机和分选机产品,收购新加坡分选机制造公司STI已获证监会通过,进一步进军东南亚市场。

佛山联动在电源管理和大功率分立器件测试方面技术不错,测试机已经进入东南亚封测厂。

长期来看,半导体封测产业持续向中国大陆转移,特别是东南亚的封测代工厂,近几年随着中国封测产业高速增长,东南亚部分封测厂运营困难,因此逐渐被收购。中国封测厂去东南亚收购封测产能也成为了趋势。

智东西认为,测试设备贯穿芯片制造的整个流程,对于确保芯片的性能和可靠性至关重要。在半导体制造工艺日益复杂的当下, 完备的测试设备流程能够及时发现不稳定因素、提高生产良率。

与晶圆加工制造相比,我国大陆的封测产业较为成熟,长电科技、天水华天、通富微电等都在近年来取得了不俗的市场成绩,这也导致了国内市场对于封测设备需求增加。在中美贸易摩擦背景下,国产测试设备有望在各种半导体设备中率先崛起,进一步加快国产化突围的步伐。返回搜狐,查看更多

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