淺析半導體測試設備國產化之路

半導體設備是半導體行業的支撐行業,其制造工藝復雜,各個不同環節需要的設備也不同,從流程分類來看,半導體設備主要可分為硅片生產過程設備、晶圓制造過程設備、封測過程設備等。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工藝的不同工序里。

以集成電路各類設備銷售額推算各類設備比例,在整個半導體設備市場中,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節,目的是檢查每一步制造工藝后晶圓產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。測試分兩個階段,一個是CP(Chip Probing)測試,也就是晶圓(Wafer)測試,另外一個是FT(Final Test)測試。

CP測試在整個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,成千上萬的裸DIE規則的分布滿整個Wafer。由于尚未進行劃片封裝,芯片的管腳全部裸露在外,這些極微小的管腳需要通過更細的探針(Probe)來與測試機(Tester)連接從而進行芯片測試,其目的有2個,1個是監控前道工藝良率,另一個是降低后道成本(避免封裝過多的壞芯片)。

FT測試,也就是把芯片封裝好再進行的測試,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環節皆有應用,因此占比最大達到 63.1%,分選機占 17.4%、探針臺占15.2%。隨著全球半導體行業市場規模不斷擴大,半導體測試設備市場也呈增長趨勢。按照 SEMI 對全球半導體專用設備市場規模發展的預測,2020年及 2021年,全球半導體測試設備市場規模或將分別達到52.2億美元及56.1億美元。

測試機發展現狀

半導體測試機的技術核心在于功能集成、精度與速度、與可延展性。隨著芯片工藝的發展,一片芯片上承載的功能越來越多,測試機需要測試的范圍也越來越大,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,就越受客戶青睞。測試機龍頭企業主要是泰瑞達和愛德萬,二者市占率分別約為50%和40%;中高端芯片測試機幾乎被國外企業壟斷,國內華峰測控和長川科技在部分細分領域也有所突破,概倫電子致力打造存儲器設計全流程EDA,實現DTCO(設計工藝協同優化)真正落地的從數據到仿真的創新EDA解決方案。

探針臺發展現狀

按照探針臺占整個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。國內探針臺市場規模2019年約為10.25億元,2022年將增長到15.69億元。

由于探針臺技術門檻高,研發周期長且投入成本大,目前全球高端探針臺市場仍主要被日韓等國所占據；近年來在國家對半導體產業的大力扶持下,國產化技術的發展進程不斷加快,中國半導體設備企業將加速迎來國產替代的機會,在國內半導體設備市場中,探針臺是我國目前最有希望能實現高國產化率的設備。

探針臺主要是東京電子(TEL)、東京精密(TSK),二者市場占有率合計超過80%;國內企業中長川科技的主要產品為測試機和分選機,探針臺處于研發階段；森美協爾科技(SEMISHARE)在2016年啟動了對全自動晶圓探針臺項目的研發,并逐步開始布局工業級晶圓探針臺領域市場,據行業消息,在2021年3月其推出國內首款晶圓級A12全自動探針臺。總的來看,國內廠商近幾年奮起直追,正在縮小與國外先進廠商的技術差距。

國內探針臺市場現狀:

分選機發展現狀

集成電路分選設備應用于芯片封裝之后的FT測試環節,它是提供芯片篩選、分類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行取舍和分類。分選機主要是愛德萬、科休&愛普生等,合計市場占率合計約60%,國內參與的企業主要有長川科技等。

半導體測試設備行業屬于技術密集型和資本密集型相結合的行業,集計算機、自動化、通信、電子和微電子等技術于一身,對產業化運作有著很高的要求,在技術、人才、客戶資源、資金、產業整合方面存在較高的進入壁壘:

1、隨著半導體技術不斷發展,芯片線寬尺寸不斷減小,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、自動化、通信、電子和微電子等學科技術,具有技術含量高、設備價值高等特點。

2、客戶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,測試設備要通過一些技術訣竅來克服信號干擾導致測試精度偏差的難題。

3、隨著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。企業要具備較強的研發能力,能夠快速響應客戶的技術要求,實現產品技術的升級和迭代。

4、客戶資源積累需要長時間市場耕耘,半導體測試設備存在一個使用習慣和技術信任問題,一旦在產線/實驗室投入使用,客戶在后期很難出現產品替換。在獲得半導體客戶訂單前,下游客戶特別是國際知名企業認證的周期較長,測試設備的替換需要一系列的認證流程,包括企業成立時間、發展歷史、環保合規性、測試設備質量,內部生產管理流程規范性是否達到客戶的要求等方面;客戶還需要結合產線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行驗證。客戶嚴格的認證制度和長認證周期增加了新進入的企業獲得訂單的難度和投入。

半導體測試設備國產替代化機會

1、5G換機潮、新能源汽車、通信驅動,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年智能手機銷量有望同比增長10%。新能源汽車方面,當前全球多國已宣布燃油車禁售時間,加之國內政策補貼等,國內新能源汽車產業鏈當前訂單非常飽滿,并可能有5-10年的持續高增長發展態勢。通信領域,5G帶動行業發展提速,行業空間再次被打開。因此半導體上游整體處于景氣向上狀態,半導體測試設備整體行業份額也隨市場擴張而增大。

2、中游晶圓廠資本開支大增,利好設備公司

雖然目前幾乎所有的晶圓代工和IDM公司的產能都已經打滿,但依然無法滿足去年以來大幅增加的下游需求。因此,在這種情況下,各大晶圓廠紛紛加大資本開支,進入大規模的擴產階段。

3、長期規模投資為國產裝備營造極佳的發展環境。

根據中國招標網披露的國內幾條晶圓廠的主要國產裝備中標看國產化率正在逐步提升,隨著后期國產裝備逐步驗證通過,以及晶圓廠工藝順利進展、逐步提升產能,國產化率有較大提升空間

4、自主發展已成共識,國產化進程加速

華為、中興事件后,IC產業政策扶持力度加碼,未來隨著國內半導體產業進入密集建設期,國內企業在國家政策和市場需求推動下加大研發,我國有望加快集成電路國產化集成,逐步實現從低端向高端替代,從而減少對集成電路進口,減少國外依賴的局面。在半導體設備領域也將奮起直追,逐步提高國產設備的質量、擴大國產測試設備市場份額。

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