淺析半導體測試設備國產(chǎn)化之路

半導體設備是半導體行業(yè)的支撐行業(yè),其制造工藝復雜,各個(gè)不同環(huán)節需要的設備也不同,從流程分類(lèi)來(lái)看,半導體設備主要可分為硅片生產(chǎn)過(guò)程設備、晶圓制造過(guò)程設備、封測過(guò)程設備等。這些設備分別對應硅片制造、集成電路制造、封裝、測試等工序,分別用在集成電路生產(chǎn)工藝的不同工序里。

以集成電路各類(lèi)設備銷(xiāo)售額推算各類(lèi)設備比例,在整個(gè)半導體設備市場(chǎng)中,晶圓制造設備主體占比 81%,封裝設備占 6%,測試設備占 8%,其他設備占  5%。

廣義上的半導體檢測設備,分為前道量測(半導體量測設備)  和后道測試(半導體測試設備)。前道量測主要用于晶圓加工環(huán)節,目的是檢查每一步制造工藝后晶圓產(chǎn)品的加工參數是否達到設計的要求或者存在影響良率的缺陷,屬于物理性的檢測;半導體后道測試設備主要是用在晶圓加工之后、封裝測試環(huán)節內,目的是檢查芯片的性能是否符合要求,屬于電性能的檢測。測試分兩個(gè)階段,一個(gè)是CP(Chip  Probing)測試,也就是晶圓(Wafer)測試,另外一個(gè)是FT(Final Test)測試。

CP測試在整個(gè)芯片制作流程中處于晶圓制造和封裝之間。晶圓(Wafer)制作完成之后,成千上萬(wàn)的裸DIE規則的分布滿(mǎn)整個(gè)Wafer。由于尚未進(jìn)行劃片封裝,芯片的管腳全部裸露在外,這些極微小的管腳需要通過(guò)更細的探針(Probe)來(lái)與測試機(Tester)連接從而進(jìn)行芯片測試,其目的有2個(gè),1個(gè)是監控前道工藝良率,另一個(gè)是降低后道成本(避免封裝過(guò)多的壞芯片)。

FT測試,也就是把芯片封裝好再進(jìn)行的測試,封裝測試最重要的目標就是避免將有缺陷的器件放入系統之中。需要用到的設備是測試機和分選機。

根據 SEMI 的統計數據,測試設備中測試機在晶圓測試和成品測試兩個(gè)環(huán)節皆有應用,因此占比最大達到 63.1%,分選機占 17.4%、探針臺占  15.2%。隨著(zhù)全球半導體行業(yè)市場(chǎng)規模不斷擴大,半導體測試設備市場(chǎng)也呈增長(cháng)趨勢。按照 SEMI 對全球半導體專(zhuān)用設備市場(chǎng)規模發(fā)展的預測,2020 年及 2021  年,全球半導體測試設備市場(chǎng)規?；驅⒎謩e達到 52.2 億美元及 56.1 億美元。

測試機發(fā)展現狀

半導體測試機的技術(shù)核心在于功能集成、精度與速度、與可延展性。隨著(zhù)芯片工藝的發(fā)展,一片芯片上承載的功能越來(lái)越多,測試機需要測試的范圍也越來(lái)越大,這就對測試機提出了考驗,測試機的測試覆蓋范圍越廣,能夠測試的項目越多,就越受客戶(hù)青睞。測試機龍頭企業(yè)主要是泰瑞達和愛(ài)德萬(wàn),二者市占率分別約為50%和40%;中高端芯片測試機幾乎被國外企業(yè)壟斷,國內華峰測控和長(cháng)川科技在部分細分領(lǐng)域也有所突破,概倫電子致力打造存儲器設計全流程EDA,實(shí)現DTCO(設計工藝協(xié)同優(yōu)化)真正落地的從數據到仿真的創(chuàng )新EDA解決方案。

探針臺發(fā)展現狀

按照探針臺占整個(gè)半導體檢測設備投資的15.2%測算,2018年、2019年、2020年全球的探針臺市場(chǎng)規模約為56.6億元、46.2億元、42.96億元,疫情結束后2021年、2022年有望將達到51.56億元、59.29  億元的需求。國內探針臺市場(chǎng)規模2019年約為10.25億元,2022年將增長(cháng)到15.69億元。

由于探針臺技術(shù)門(mén)檻高,研發(fā)周期長(cháng)且投入成本大,目前全球高端探針臺市場(chǎng)仍主要被日韓等國所占據;近年來(lái)在國家對半導體產(chǎn)業(yè)的大力扶持下,國產(chǎn)化技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程不斷加快,中國半導體設備企業(yè)將加速迎來(lái)國產(chǎn)替代的機會(huì ),在國內半導體設備市場(chǎng)中,探針臺是我國目前最有希望能實(shí)現高國產(chǎn)化率的設備。

探針臺主要是東京電子(TEL)、東京精密(TSK),二者市場(chǎng)占有率合計超過(guò)  80%;國內企業(yè)中長(cháng)川科技的主要產(chǎn)品為測試機和分選機,探針臺處于研發(fā)階段;森美協(xié)爾科技(SEMISHARE)在2016年啟動(dòng)了對全自動(dòng)晶圓探針臺項目的研發(fā),并逐步開(kāi)始布局工業(yè)級晶圓探針臺領(lǐng)域市場(chǎng),據行業(yè)消息,在2021年3月其推出國內首款晶圓級A12全自動(dòng)探針臺?？偟膩?lái)看,國內廠(chǎng)商近幾年奮起直追,正在縮小與國外先進(jìn)廠(chǎng)商的技術(shù)差距。

國內探針臺市場(chǎng)現狀:

分選機發(fā)展現狀

集成電路分選設備應用于芯片封裝之后的FT測試環(huán)節,它是提供芯片篩選、分類(lèi)功能的后道測試設備。分選機負責將輸入的芯片按照系統設計的取放方式運輸到測試模塊完成電路壓測,在此步驟內分選機依據測試結果對電路進(jìn)行取舍和分類(lèi)。分選機主要是愛(ài)德萬(wàn)、科休&愛(ài)普生等,合計市場(chǎng)占率合計約  60%,國內參與的企業(yè)主要有長(cháng)川科技等。

半導體測試設備行業(yè)屬于技術(shù)密集型和資本密集型相結合的行業(yè),集計算機、自動(dòng)化、通信、電子和微電子等技術(shù)于一身,對產(chǎn)業(yè)化運作有著(zhù)很高的要求,在技術(shù)、人才、客戶(hù)資源、資金、產(chǎn)業(yè)整合方面存在較高的進(jìn)入壁壘:

1、隨著(zhù)半導體技術(shù)不斷發(fā)展,芯片線(xiàn)寬尺寸不斷減小,耐高壓、耐高溫、功率密度不斷增大、制造工序逐漸復雜,對半導體測試設備要求愈加提高,測試設備的制造需要綜合運用計算機、自動(dòng)化、通信、電子和微電子等學(xué)科技術(shù),具有技術(shù)含量高、設備價(jià)值高等特點(diǎn)。

2、客戶(hù)對測試的精度要求在提升,測試電壓精確到微伏(μV)、測試電流精確到皮安(pA)、測試時(shí)間精確到百皮秒(100pS)。對于極小電流和極小電壓的測試,測試設備要通過(guò)一些技術(shù)訣竅來(lái)克服信號干擾導致測試精度偏差的難題。

3、隨著(zhù)大功率器件及第三代半導體功率器件的廣泛應用,芯片的電路密度和功率密度更大,功率半導體測試系統的電流/電壓及脈寬控制精度的測試要求不斷提高。企業(yè)要具備較強的研發(fā)能力,能夠快速響應客戶(hù)的技術(shù)要求,實(shí)現產(chǎn)品技術(shù)的升級和迭代。

4、客戶(hù)資源積累需要長(cháng)時(shí)間市場(chǎng)耕耘,半導體測試設備存在一個(gè)使用習慣和技術(shù)信任問(wèn)題,一旦在產(chǎn)線(xiàn)/實(shí)驗室投入使用,客戶(hù)在后期很難出現產(chǎn)品替換。在獲得半導體客戶(hù)訂單前,下游客戶(hù)特別是國際知名企業(yè)認證的周期較長(cháng),測試設備的替換需要一系列的認證流程,包括企業(yè)成立時(shí)間、發(fā)展歷史、環(huán)保合規性、測試設備質(zhì)量,內部生產(chǎn)管理流程規范性是否達到客戶(hù)的要求等方面;客戶(hù)還需要結合產(chǎn)線(xiàn)安排和芯片項目的情況,對測試系統穩定性、精密性與可靠性、一致性等特性要求進(jìn)行驗證?？蛻?hù)嚴格的認證制度和長(cháng)認證周期增加了新進(jìn)入的企業(yè)獲得訂單的難度和投入。

半導體測試設備國產(chǎn)替代化機會(huì )

1、5G換機潮、新能源汽車(chē)、通信驅動(dòng),半導體設備消費力大增

2021年5G換機潮仍將延續,有機構預計2021年智能手機銷(xiāo)量有望同比增長(cháng)10%。新能源汽車(chē)方面,當前全球多國已宣布燃油車(chē)禁售時(shí)間,加之國內政策補貼等,國內新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)鏈當前訂單非常飽滿(mǎn),并可能有5-10年的持續高增長(cháng)發(fā)展態(tài)勢。通信領(lǐng)域,5G帶動(dòng)行業(yè)發(fā)展提速,行業(yè)空間再次被打開(kāi)。因此半導體上游整體處于景氣向上狀態(tài),半導體測試設備整體行業(yè)份額也隨市場(chǎng)擴張而增大。

2、中游晶圓廠(chǎng)資本開(kāi)支大增,利好設備公司

雖然目前幾乎所有的晶圓代工和IDM公司的產(chǎn)能都已經(jīng)打滿(mǎn),但依然無(wú)法滿(mǎn)足去年以來(lái)大幅增加的下游需求。因此,在這種情況下,各大晶圓廠(chǎng)紛紛加大資本開(kāi)支,進(jìn)入大規模的擴產(chǎn)階段。

3、長(cháng)期規模投資為國產(chǎn)裝備營(yíng)造極佳的發(fā)展環(huán)境。

根據中國招標網(wǎng)披露的國內幾條晶圓廠(chǎng)的主要國產(chǎn)裝備中標看國產(chǎn)化率正在逐步提升,隨著(zhù)后期國產(chǎn)裝備逐步驗證通過(guò),以及晶圓廠(chǎng)工藝順利進(jìn)展、逐步提升產(chǎn)能,國產(chǎn)化率有較大提升空間

4、自主發(fā)展已成共識,國產(chǎn)化進(jìn)程加速

華為、中興事件后,IC產(chǎn)業(yè)政策扶持力度加碼,未來(lái)隨著(zhù)國內半導體產(chǎn)業(yè)進(jìn)入密集建設期,國內企業(yè)在國家政策和市場(chǎng)需求推動(dòng)下加大研發(fā),我國有望加快集成電路國產(chǎn)化集成,逐步實(shí)現從低端向高端替代,從而減少對集成電路進(jìn)口,減少?lài)庖蕾?lài)的局面。在半導體設備領(lǐng)域也將奮起直追,逐步提高國產(chǎn)設備的質(zhì)量、擴大國產(chǎn)測試設備市場(chǎng)份額。