浅析半导体测试设备国产化之路

半导体设备是半导体行业的支撑行业,其制造工艺复杂,各个不同环节需要的设备也不同,从流程分类来看,半导体设备主要可分为硅片生产过程设备、晶圆制造过程设备、封测过程设备等。这些设备分别对应硅片制造、集成电路制造、封装、测试等工序,分别用在集成电路生产工艺的不同工序里。

以集成电路各类设备销售额推算各类设备比例,在整个半导体设备市场中,晶圆制造设备主体占比 81%,封装设备占 6%,测试设备占 8%,其他设备占 5%。

广义上的半导体检测设备,分为前道量测(半导体量测设备) 和后道测试(半导体测试设备)。前道量测主要用于晶圆加工环节,目的是检查每一步制造工艺后晶圆产品的加工参数是否达到设计的要求或者存在影响良率的缺陷,属于物理性的检测;半导体后道测试设备主要是用在晶圆加工之后、封装测试环节内,目的是检查芯片的性能是否符合要求,属于电性能的检测。测试分两个阶段,一个是CP(Chip Probing)测试,也就是晶圆(Wafer)测试,另外一个是FT(Final Test)测试。

CP测试在整个芯片制作流程中处于晶圆制造和封装之间。晶圆(Wafer)制作完成之后,成千上万的裸DIE规则的分布满整个Wafer。由于尚未进行划片封装,芯片的管脚全部裸露在外,这些极微小的管脚需要通过更细的探针(Probe)来与测试机(Tester)连接从而进行芯片测试,其目的有2个,1个是监控前道工艺良率,另一个是降低后道成本(避免封装过多的坏芯片)。

FT测试,也就是把芯片封装好再进行的测试,封装测试最重要的目标就是避免将有缺陷的器件放入系统之中。需要用到的设备是测试机和分选机。

根据 SEMI 的统计数据,测试设备中测试机在晶圆测试和成品测试两个环节皆有应用,因此占比最大达到 63.1%,分选机占 17.4%、探针台占 15.2%。随着全球半导体行业市场规模不断扩大,半导体测试设备市场也呈增长趋势。按照 SEMI 对全球半导体专用设备市场规模发展的预测,2020 年及 2021 年,全球半导体测试设备市场规模或将分别达到 52.2 亿美元及 56.1 亿美元。

测试机发展现状

半导体测试机的技术核心在于功能集成、精度与速度、与可延展性。随着芯片工艺的发展,一片芯片上承载的功能越来越多,测试机需要测试的范围也越来越大,这就对测试机提出了考验,测试机的测试覆盖范围越广,能够测试的项目越多,就越受客户青睐。测试机龙头企业主要是泰瑞达和爱德万,二者市占率分别约为50%和40%;中高端芯片测试机几乎被国外企业垄断,国内华峰测控和长川科技在部分细分领域也有所突破,概伦电子致力打造存储器设计全流程EDA,实现DTCO(设计工艺协同优化)真正落地的从数据到仿真的创新EDA解决方案。

探针台发展现状

按照探针台占整个半导体检测设备投资的15.2%测算,2018年、2019年、2020年全球的探针台市场规模约为56.6亿元、46.2亿元、42.96亿元,疫情结束后2021年、2022年有望将达到51.56亿元、59.29 亿元的需求。国内探针台市场规模2019年约为10.25亿元,2022年将增长到15.69亿元。

由于探针台技术门槛高,研发周期长且投入成本大,目前全球高端探针台市场仍主要被日韩等国所占据;近年来在国家对半导体产业的大力扶持下,国产化技术的发展进程不断加快,中国半导体设备企业将加速迎来国产替代的机会,在国内半导体设备市场中,探针台是我国目前最有希望能实现高国产化率的设备。

探针台主要是东京电子(TEL)、东京精密(TSK),二者市场占有率合计超过 80%;国内企业中长川科技的主要产品为测试机和分选机,探针台处于研发阶段;森美协尔科技(SEMISHARE)在2016年启动了对全自动晶圆探针台项目的研发,并逐步开始布局工业级晶圆探针台领域市场,据行业消息,在2021年3月其推出国内首款晶圆级A12全自动探针台。总的来看,国内厂商近几年奋起直追,正在缩小与国外先进厂商的技术差距。

国内探针台市场现状:

分选机发展现状

集成电路分选设备应用于芯片封装之后的FT测试环节,它是提供芯片筛选、分类功能的后道测试设备。分选机负责将输入的芯片按照系统设计的取放方式运输到测试模块完成电路压测,在此步骤内分选机依据测试结果对电路进行取舍和分类。分选机主要是爱德万、科休&爱普生等,合计市场占率合计约 60%,国内参与的企业主要有长川科技等。

半导体测试设备行业属于技术密集型和资本密集型相结合的行业,集计算机、自动化、通信、电子和微电子等技术于一身,对产业化运作有着很高的要求,在技术、人才、客户资源、资金、产业整合方面存在较高的进入壁垒:

1、随着半导体技术不断发展,芯片线宽尺寸不断减小,耐高压、耐高温、功率密度不断增大、制造工序逐渐复杂,对半导体测试设备要求愈加提高,测试设备的制造需要综合运用计算机、自动化、通信、电子和微电子等学科技术,具有技术含量高、设备价值高等特点。

2、客户对测试的精度要求在提升,测试电压精确到微伏(μV)、测试电流精确到皮安(pA)、测试时间精确到百皮秒(100pS)。对于极小电流和极小电压的测试,测试设备要通过一些技术诀窍来克服信号干扰导致测试精度偏差的难题。

3、随着大功率器件及第三代半导体功率器件的广泛应用,芯片的电路密度和功率密度更大,功率半导体测试系统的电流/电压及脉宽控制精度的测试要求不断提高。企业要具备较强的研发能力,能够快速响应客户的技术要求,实现产品技术的升级和迭代。

4、客户资源积累需要长时间市场耕耘,半导体测试设备存在一个使用习惯和技术信任问题,一旦在产线/实验室投入使用,客户在后期很难出现产品替换。在获得半导体客户订单前,下游客户特别是国际知名企业认证的周期较长,测试设备的替换需要一系列的认证流程,包括企业成立时间、发展历史、环保合规性、测试设备质量,内部生产管理流程规范性是否达到客户的要求等方面;客户还需要结合产线安排和芯片项目的情况,对测试系统稳定性、精密性与可靠性、一致性等特性要求进行验证。客户严格的认证制度和长认证周期增加了新进入的企业获得订单的难度和投入。

半导体测试设备国产替代化机会

1、5G换机潮、新能源汽车、通信驱动,半导体设备消费力大增

2021年5G换机潮仍将延续,有机构预计2021年智能手机销量有望同比增长10%。新能源汽车方面,当前全球多国已宣布燃油车禁售时间,加之国内政策补贴等,国内新能源汽车产业链当前订单非常饱满,并可能有5-10年的持续高增长发展态势。通信领域,5G带动行业发展提速,行业空间再次被打开。因此半导体上游整体处于景气向上状态,半导体测试设备整体行业份额也随市场扩张而增大。

2、中游晶圆厂资本开支大增,利好设备公司

虽然目前几乎所有的晶圆代工和IDM公司的产能都已经打满,但依然无法满足去年以来大幅增加的下游需求。因此,在这种情况下,各大晶圆厂纷纷加大资本开支,进入大规模的扩产阶段。

3、长期规模投资为国产装备营造极佳的发展环境。

根据中国招标网披露的国内几条晶圆厂的主要国产装备中标看国产化率正在逐步提升,随着后期国产装备逐步验证通过,以及晶圆厂工艺顺利进展、逐步提升产能,国产化率有较大提升空间

4、自主发展已成共识,国产化进程加速

华为、中兴事件后,IC产业政策扶持力度加码,未来随着国内半导体产业进入密集建设期,国内企业在国家政策和市场需求推动下加大研发,我国有望加快集成电路国产化集成,逐步实现从低端向高端替代,从而减少对集成电路进口,减少国外依赖的局面。在半导体设备领域也将奋起直追,逐步提高国产设备的质量、扩大国产测试设备市场份额。