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深度解讀芯片測試:三大機器貫穿全流程,國產設備突飛猛進

2019-05-29 09:21:47 來源:智東西
隨著芯片制程越來越小,其工藝難度也呈指數型上升。以10nm工藝為例,全工藝步驟數超過1300道,7nm工藝則超過1500道,其中任何一道工藝出錯都可能導致生產的集成電路不合格,拉低良品率。

因此,為了及時發現不穩定因素、提高生產良率,測試環節貫穿在集成電路的生產流程里,測試設備則是其中的關鍵。
 

本期的智能內參,我們推薦來自長江證券的半導體測試設備報告,詳解了半導體測試過程、設備分類、以及國內外市場格局。
 

其他關于半導體材料設備的系列報道,可參見智東西此前文章(這臺設備比印鈔更賺錢!公司來自荷蘭,被曝中國員工竊密)(深度解讀芯片刻蝕:國產5nm機器已就緒,2018全球銷售額破歷史新高)(揭秘芯片制造關鍵一環,百億美元市場的光刻膠產業)
 

以下為智能內參整理呈現的干貨:
 

一、測試設備貫穿生產流程:探針臺、分選機、測試
 

正如開篇提及,集成電路工藝繁多復雜,其中任何一道工藝出錯都可能導致生產的集成電路不合格,拉低良品率。因此,測試環節對于集成電路生產而言至關重要。
 

集成電路測試設備不僅可用于判斷被測芯片或器件的合格性,同時還可提供關于設計、制造過程的薄弱環節信息,有助于提高芯片制造水平,從源頭提高芯片的性能和可靠性。
 


集成電路的測試環節,主要包括芯片設計中的設計驗證、晶圓制造中的晶圓測試(CP測試)和封裝完成后的成品測試(FT測試)。
 

集成電路測試設備主要包括測試機、探針臺和分選機。在所有的測試環節中都會用到測試機,不同環節中測試機需要和分選機或探針臺配合使用。
 

1、設計驗證階段:驗證芯片設計有效性,對測試設備需求少
 

芯片設計公司通常會使用半導體測試設備對晶圓或芯片樣品進行測試,以驗證芯片樣品功能和性能的有效性,并指導芯片設計。設計驗證階段對測試設備需求較少。
 

2、晶圓測試階段:測試機+探針臺,測試晶圓,節省封裝成本
 

晶圓測試又稱為CP測試,是指在晶圓制造完成后和進行封裝前,通過探針臺和測試機配合使用,對晶圓上的每一個芯片晶粒進行功能和電參數性能測試的過程,是晶圓制造的最后一道工序。晶圓測試一般在晶圓廠、封測廠或專門的測試代工廠進行,主要用到的設備為測試機和探針臺,此外還有定制化的測試電路板和探針卡,探針卡上裝有探針。
 


晶圓測試過程:首先將探針卡固定到測試電路板上,然后把測試電路板安裝到測試機的機頭上,再將測試機頭倒置于探針臺上。探針臺上部有孔供探針卡插入。一旦安裝完畢,測試機、測試電路板、探針卡和探針臺都固定不動,探針臺內部的機械手臂控制晶圓移動,并將每一顆芯片晶粒上的接觸孔對準探針,然后向上頂使探針準確插入晶粒的接觸孔,最后完成測試
 

接觸孔的直徑通常都是1-2um級別,因此,晶圓測試對探針臺的精度要求非常高,如果稍有偏差,探針將有較大可能扎壞晶圓,因此,探針臺的技術難度較大。
 


晶圓測試的目的是把好的和壞的晶粒分別挑出來,并進行標記形成晶圓的Map圖,此后只對性能良好的晶粒進行封裝,以節省后續的封裝成本。
 

3、成品測試階段:測試機+分選機,測試芯片,提高良率
 

封裝測試又稱為FT測試或終測,一般在封測廠完成,是指芯片完成封裝后,通過分選機和測試機配合,對每一顆芯片進行電參數性能測試,保證出廠的每顆集成電路的功能和性能指標能夠達到設計規范要求,目的在于提高出廠芯片良率。封裝測試主要用到測試機和分選機,此外還有定制化的測試電路板和底座。
 


成品測試的過程:分選機將待測芯片逐個自動傳送并放入測試底座。底座和測試電路板把芯片的引腳與測試機的測試板卡連接,測試機對集成電路施加輸入信號、采集輸出信號,判斷集成電路在不同工作條件下功能和性能的有效性。
 

最后,測試結果通過通信接口傳送給分選機,分選機據此對被測試的集成電路進行標記、分選、收料或編帶。
 


成品測試的目的是把好的和壞的芯片分別挑出來,只有好的芯片才會被銷售給終端客戶,以保證芯片出貨時的良率。
 

二、測試機定制化,探針臺、分選機通用
 

測試機、探針臺、分選機所應用的環節并不相同,其技術難度也各有差異。測試機屬于定制化設備,探針臺、分選機則更加通用。
 

1、測試機由機身和內部的測試板卡構成,均由測試機廠設計和制造。
 

測試機機身是一種標準化的設備,內部可以插入不同的測試板卡。測試機廠會設計出一系列的測試板卡,每一種測試板卡可以滿足對某些功能的測試測試廠在做芯片測試的時候,需要根據芯片的功能特性選擇不同的測試板卡進行搭配。
 

此外,每一種芯片都需要編寫一套特有的測試程序。因此,測試機的定制性主要體現在測試板卡的定制和測試程序的定制。
 

當一款芯片更新換代時,測試機的機身不需要更換,內部的測試板卡則會根據接下來要測試芯片做調整,測試程序則一定需要更新。
 



2、探針臺和分選機則是相對通用設備,適用范圍較廣。

探針臺主要根據晶圓尺寸選型,分選機主要根據芯片封裝方式和測試并行度要求選型。不同的晶圓和芯片,通常不需要對探針臺和分選機做太大改動。
 

測試行業尤其是測試機行業,更多的工作是軟件的編寫,包括底層的對設備的控制程序,和上層的對芯片測試程序。
 

底層的控制程序類似于操作系統,不同品牌的測試機的控制系統不同,而上層的測試程序類似于應用軟件,在該種測試機的控制系統的基礎上編寫,每一款芯片都有自己定制化的測試程序。
 


測試機、探針臺和分選機三類測試設備的技術難度對比來看,測試機和探針臺技術難度相較分選機而言更高。
 

測試機、探針臺和分選機三者為獨立銷售的設備,測試機、探針臺和分選機生產廠商在研發時均已考慮了不同廠商產品之間搭配使用的可行性,在產品和連接線設置上均有行業通用接口,可實現不同廠商不同類型設備的搭配組合,無須從同一廠商配套采購。
 

但在實際采購設備時,測試設備的定制化屬性決定了該行業特殊的業務模式,即通用設備通常由晶圓廠和封測廠自行決定采購,而定制化設備則由芯片設計公司主導設備品牌的選擇:
 


1)探針臺和分選機屬于通用設備,通常由晶圓廠或封測廠自主采購;
 

2)測試機、探針卡、測試電路板和底座均屬于定制化設備,由芯片設計公司根據自己芯片的特點指定供應商,再由晶圓廠和封測廠進行采購。封測廠和晶圓廠自主決定購買的定制設備相對較少。
 

三、測試設備難度較低,有望率先突破國際壁壘
 

集成電路設備主要包括硅片制造設備、晶圓加工處理設備、封裝設備和測試設備等,由于集成電路制造工序復雜、流程較長,不同環節所需設備各不相同,且技術難度及價值量也存在明顯差異。
 


總體而言,光刻機、刻蝕機等晶圓加工處理設備技術壁壘更高、難度更大,由全球少數幾家巨頭壟斷。
 

測試設備的技術門檻相對稍低,國產測試設備有望在各種半導體設備中率先突圍。
 

半導體設備分產品市場規模占比情況來看,半導體設備所占市場份額與技術難度基本成正比,技術難度更高的產品享有更高市場溢價。
 

晶圓處理設備占比最大,原因在于在集成電路制造、封裝、測試等環節中,晶圓制造工藝最為復雜、工序最多、技術壁壘最高,設備成本也更高。
 


2018年晶圓處理設備、封裝設備、測試設備和其他設備的市場規模分別約為502、54、40和25億美元,市場規模占比分別約為80.8%、8.7%、6.4%和4.0%。
 

目前,全球集成電路先進測試設備制造技術基本掌握在美國、日本等集成電路產業發達國家的廠商手中。
 


測試機市場,美國泰瑞達(Teradyne)和日本愛德萬(Advantest)為雙巨頭,合計占據了測試機市場80%以上份額,且近年份額呈現不斷提升趨勢。
 

探針臺技術壁壘較高,市場也處于雙強壟斷態勢,東京電子和東京精密兩家日本公司占據了絕大部分市場份額。
 

分選機技術難度相對較低,目前沒有在技術上絕對領先或在市場份額上處于絕對壟斷地位的龍頭,競爭格局相對較為分散,主要的參與者包括美國Cohu、日本EPSON、日本愛德萬、新加坡STI、中國臺灣的鴻勁和中國大陸的長川科技等。
 

回望國內,目前國內的測試設備企業長川科技、北京華峰、佛山聯動、北京冠中等已經取得一定突破,進入了長電科技、華天科技、通富微電、日月光等海內外知名封測廠。
 

國內廠商在分立器件測試機、模擬測試機和分選機等中低端領域實現或部分實現了國產替代,并在數字測試機、探針臺等難度較大的測試設備領域已有布局,但探針臺和高端測試機依舊由海外龍頭壟斷。
 

在近來中美貿易摩擦背景下,半導體設備的國產替代進程或將加速,遵循先易后難的邏輯,國產測試設備有望在各種半導體設備中率先崛起。
 

四、測試設備需求攀升,大陸封測產業發達
 

測試設備通常壽命較長,更新需求較少,最主要的需求是新增需求。影響測試設備新增需求的四大因素包括下游芯片需求、芯片復雜度、半導體產業轉移和測試的并行度。其中最核心的影響因素是下游芯片需求和芯片復雜度。
 

近年來,芯片的復雜度不斷攀升,測試設備的需求受芯片復雜度提升和下游景氣度波動雙重影響。
 

2015年至2018年,隨著半導體產業景氣度上升,全球半導體測試設備銷售額迅速增長,至2018年達到約54億美元。
 


年下半年來,全球半導體產業景氣度有所下滑,預計2019年測試設備市場需求同比2018年略有下滑,全球市場空間預計超過50億美元。
 


隨著供應鏈去庫存、5G需求拉動等因素,預計2020半導體產業景氣度將恢復,半導體測試設備市場空間有望超過60億美元。
 

回望中國。近年來,中國大陸半導體設備市場需求增長迅速,據SEMI預測,2019年中國大陸半導體設備市場在全球占比或達約20%。
 

分產品來看,2019年中國大陸數字測試機市場空間約30~35億人民幣,存儲器測試機市場空間約8~9億人民幣,模擬測試機市場空間約5~6億人民幣,分選機和探針臺市場空間則各約9至10億人民幣。
 

五、行業競爭激烈,國產替代加速
 

測試設備市場近年來競爭日趨激烈,行業整合加速。
 


 

2011年愛德萬收購惠瑞捷,高端測試機市場形成了泰瑞達和愛德萬雙寡頭壟斷局面。而泰瑞達和愛德萬之外的測試機公司,則在中低端市場競爭激烈,相互之間不斷整合。LXT、Credence、ECT和Multitest經過一系列合并、并購整合,成為全球第三大測試機公司Xcerra,但收入體量仍與泰瑞達和愛德萬差距較大,2018年Cohu收購了Xcerra。
 

而從2018年以來,國產半導體測試設備向中國大陸外市場拓展和在中國大陸市場的國產替代進程均明顯提速。
 


國產替代進程提速是因為中國本土芯片設計公司近年來蓬勃發展,對芯片測試的需求增長迅速,但受中美貿易摩擦影響,供應鏈的安全日益受到重視,國產測試設備將得到更多的試用機會,在中低端模擬測試機和分選機領域,國產替代明顯提速。
 

國產測試設備加速海外拓展,短期因素,是近期中國大陸封測廠設備采購支出低迷;長期因素,是國產設備在模擬、電源等細分領域技術實力增強,逐步參與全球競爭。
 

自2018H2以來,國內封測產業投資低迷,設備采購支出萎縮,促使國產測試設備公司加速向海外擴張。
 

北京華峰的模擬測試機早年已在中國臺灣和東南亞展開銷售,并在美國、日本、意大利設立辦事處,目前海外收入占比已超過30%。
 

長川科技在中國香港和日本設立子公司,并在中國臺灣設立辦事處,加快公司國際化步伐,推廣其模擬測試機和分選機產品,收購新加坡分選機制造公司STI已獲證監會通過,進一步進軍東南亞市場。
 

佛山聯動在電源管理和大功率分立器件測試方面技術不錯,測試機已經進入東南亞封測廠。
 


長期來看,半導體封測產業持續向中國大陸轉移,特別是東南亞的封測代工廠,近幾年隨著中國封測產業高速增長,東南亞部分封測廠運營困難,因此逐漸被收購。中國封測廠去東南亞收購封測產能也成為了趨勢。
 

智東西認為,測試設備貫穿芯片制造的整個流程,對于確保芯片的性能和可靠性至關重要。在半導體制造工藝日益復雜的當下, 完備的測試設備流程能夠及時發現不穩定因素、提高生產良率。
 

與晶圓加工制造相比,我國大陸的封測產業較為成熟,長電科技、天水華天、通富微電等都在近年來取得了不俗的市場成績,這也導致了國內市場對于封測設備需求增加。在中美貿易摩擦背景下,國產測試設備有望在各種半導體設備中率先崛起,進一步加快國產化突圍的步伐。


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