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封、测分离趋势加重测试业没有顶峰

2022-09-21    来源:华体会网页版登录 作者:华体会Vip官网入口

  芯片测试是确保产品良率和成本控制的重要环节,主要目的是保证芯片在恶劣环境下能完全实现设计规格书所规定的功能及性能指标,以此判断芯片性能是否符合标准,是否可以进入市场。

  随着产品进入高性能CPU、GPU、NPU、DSP和SoC时代,芯片内部集成的模块越来越多,生产制造过程中的失效模式也相应增多,芯片测试的重要性凸显,现有以封装为主、测试为辅的一体化构造已经无法满足测试需求,封测分离趋势正在逐步加重。

  芯片的测试主要分为三个阶段:芯片设计中的设计验证、晶圆制造中的晶圆测试(CP测试)以及封装完成后的成品测试(FT测试),其中CP测试和FT测试是半导体后道测试的核心环节。

  设计验证是采用相应的验证语言、验证工具及验证方法,在芯片生产之前验证芯片设计是否符合芯片定义的需求规格,是否已经完全释放了风险,发现并更正了所有的缺陷。

  众所周知流片费用高昂,在芯片生产过程中单单流片就占了总成本的60%。以28nm芯片为例:根据Gartner的数据显示,28nm制程芯片的平均设计成本为3000万美元。在芯片流片之后再发现设计故障基本无法更改,所以芯片设计验证处在流片环节的上游是减小流片损失的最优解。

  根据验证工具的不同可以分为EDA验证、FPGA原型验证、Emulator(仿真器)验证,其中EDA为主流的验证工具,通过软件仿真来验证电路设计的功能行为验证波形,可以直观、快速地找出功能bug。

  CP测试在整个芯片制造过程中位于晶圆制造和封装之间,通过在检测头上装上以金线制成细如毛发的探针(probe),与晶粒上的接点(pad)接触,测试其电气特性,不合格的晶粒会被标上记号,而后当晶圆以晶粒为单位切割成独立的晶粒时,标有记号的不合格晶粒会被淘汰。

  FT测试是芯片在封装完成以后进行的最终的功能和性能测试,是产品质量控制的最后环节。一般来说,CP测试的项目比较多也比较全,FT测试的项目比较少,但都是关键项目,条件严格。

  CP测试与FT测试的持续时间与测试覆盖率直接相关,测试时间越长则测试覆盖率越好。但是收费标准也是根据按照测试时间而定,测试项越多,测试时间就会越长,费用越高。

  芯片制造过程中的测试成本约占设计费用的5%,以28nm的3000万美元成本计算,测试花费成本大概150万美元,这个费用和芯片设计的总费用相比似乎不算多,但对于一些中小规模公司来说,芯片的测试成本已经接近研发成本,此时就有一些公司流片完成后直接切割封装,砍去了CP测试的环节,只做少量的封装测试(FT测试)以减少成本。不过,这样做的结果就是一些有故障问题的芯片未能被检测出来就直接装机流向客户。

  但仔细算算,即使CP环节直接省去,总成本也降低不到5%,产品退回或者赔偿都远远高于5%的成本。反观单单流片就占了总成本的60%,倒不如在流片前加强质量把控。最后,FT作为产品质量的直接把控,如果把有功能缺陷的芯片卖给客户,损失是极其惨重的,不仅是经济上的赔偿,还有损信誉,对客户回流意义重大,价值更是不可估量。

  可见测试再也不是芯片制造的配角更不是封装的附属品,芯片测试非常必要,且一定要专注去做。但是这些年,由于长期被迫与封装捆绑,导致芯片测试业缺乏承接客户能力,加之整个行业起步较慢,在整个发展过程中面临诸多困难。

  新材料存在诸多不可控性:半导体材料是产业链上游中最重要的一环,可以对下游每一个生产环节造成影响,越来越多的新材料被加入到芯片中,给芯片测试带来诸多难题。这些材料或软或脆,或用于制作薄膜或增加电子迁移率,在测试之前需要进行更多的特性表征,甚至还有可能在加工过程或测试中被损坏,这些问题都需要花费大量的时间和精力去解决。

  高标准的测试需求:近两年自动驾驶车辆或工业应用在不断进步,测试也需要更加严格。尤其在汽车这样一个对安全性有着高标准的行业,供应链中的任何地方都不允许出现性能欠佳的器件,汽车制造商要求零件能够保证长达17年零缺陷,开发具有此缺陷级别的器件就需要进行更广泛的测试,衍生了更精密测试设备的需求,测试成本自然水涨船高。

  封装技术的演进:3D封装技术的新生,被称为摩尔定律的延续。同样,该封装中任何芯片的缺陷都难以检测且代价昂贵,比如单片3D,它需要对经过两个或更多芯片的信号进行跟踪,测试人员无法直接访问某些层,为解决这些问题必然代价巨大。

  从全球测试机行业竞争格局来看,测试机市场被泰瑞达、爱德万两大寡头垄断,市场份额占比分别为51%、33%,国内企业华峰测控市场占比为3%。

  全球分选机的竞争格局相对分散,前五大分选机厂商分别为科休、Xcerra、爱德万、鸿劲、长川科技,市占率分别为21%、16%、12%、8%、2%。前五厂商中的大陆企业只有长川科技,并且市占率仅有2%。

  目前全球探针台市场主要由日本厂商东京精密和东京电子主导,两家公司的全球市占率超 70%,国内仅有长川完成了初级产品的研发。

  除了测试设备以进口为主之外,单机价值也高达30万美元到100万美元不等,重资产行业特征明显,资本投入巨大。之前有不少公司通过自己投资设备给产品做测试,但设备更迭需要和芯片技术演进保持一致,考虑到代价之高,如今除Fabless企业外,原有IDM、晶圆制造、封装厂出于成本的考虑多倾向于将测试部分交由第三方测试企业。随着第三方测试公司的发展越来越成熟,测试产品多元化的加速测试方案快速迭代,源源不断的订单也已经可以保证产能利用率。

  随着IC制程演进和工艺日趋复杂化,制造过程中的参数控制和缺陷检测等要求越来越高。芯片设计趋向于多样化和定制化,对应的测试方案以及对测试的人才和经验要求都在提升,这种情况下,测试外包更有利于降低中小企业的负担,提高效率。

  专业测试在成本上也具有一定优势。测试设备以进口为主,资本投入巨大,第三方测试公司专业化和规模化优势明显,测试产品多元化加速测试方案迭代,源源不断的订单可以保证产能利用率。

  近年来国家一步步加大对于半导体产业政策的扶持力度,多项重磅文件相继出台,各项政策优待主要表现在芯片制造的各个环节以及半导体设备行业的相关规划与推动。最近两年600亿美元的年销售额成为整个半导体设备业的新常态,可全球每年单单是测试设备投资便超过了70亿美金,占比约12%,因此测试行业需要更强力的政策驱动。

  一直以来,芯片测试行业都被看成是封装业务的补充。而纵观国内芯片行业的整体情况,传统封测企业很难有足够的资金和精力去应对行业的更替,芯片测试作为替补队员也已经逐渐呈现出高端化的趋势。

  专业的芯片测试公司能够根据客户需求调整方案,客户也可以根据测试反馈,及时调整芯片设计思路,与封测一体的公司不同,专业的测试公司甚至可以定制化地推出测试服务,满足客户对于芯片功能、性能和品质等多方面的严苛要求。

  芯片产业已经走入芯片融合时代,在工艺和应用的复杂度不断提升之下,将封装和测试两个工序分开,分别交由不同的专业团队来独立完成是行业发展的趋势,芯片制造过程中对测试业的依赖程度也只会越来越高。可以预见的是,芯片算力在不断增加,测试业的发展也没有顶峰,投资者不应该扎堆挤在芯片设计赛道当中,后端测试同等重要且缺乏关注。

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