苏州高测自动化 看半导体测试设备如何以“缓慢”应对迅疾

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相对于半导体技术迅猛发展,制程工艺不断缩小的迭代周期,与半导体产业一路相伴的测试设备产业似乎“缓慢”得多。

作为半导体行业 贯穿设计、制造、封装、应用全过程的重要部分,半导体测试设备对于产品良率和品质的提升至关重要。

随着芯片工艺不断升级,一颗芯片上承载的功能越来越多,对测试的需求也不断增长。而一台20年前上市的半导体测试ATE设备至今依然可以有良好的销售业绩,这种超长“待机”的背后,是哪些核心技术能力的支撑?在摩尔定律快速迭代的技术路线之下,测试设备如何以“以缓慢应对迅疾”,为半导体产业的推进保驾护航?


超长“待机”背后

看似“缓慢”其实一直在变化。

“现在半导体测试机台,都是一个平台的概念。尽管V93000系列现在依然在出货,但是它早已不是20多年前的那台机器了。”爱德万测试(中国)管理有限公司(下称“爱德万测试”)新概念业务VP夏克金博士对集微网指出,以V93000系列为例,其实经历了Single Density、Pin Scale、Smart Scale、EXA Scale四代升级。T2000系列也是一样的,推出了各种针对不同应用的板卡模块。

对于动辄百万乃至千万元量级的半导体测试设备,使用期限作为投入成本中考虑的重要因素之一,10到20年几乎是最基本的参考标准。但测试设备的技术进步从未停止,它是跟摩尔定律同步的,这就要在产品平台更新与兼容性两者之间实现最优平衡。

这些机型之所以能够维持如此好的销售成绩,是因为ATE设备仅需更换测试模块和板卡就可应对更多种类的测试需求以及提升其测试性能,而不需要更换机器。对于半导体测试设备来说,核心的技术能力在于功能集成、精度与速度,以及可延展性。“在一台测试机的设计之初就要考虑得特别长远。”夏克金说,这其中,需要设计研发人员有非常前瞻的技术眼光以及平台化思维,“你不能说,4G时代的测试机台,到了5G时代,技术更新升级了,就完全不能使用,要全部换新的。”

测试的价值体现最主要在上市时间(Time-to-Market)和成品率提升(Yield Improvement)两个方面。半导体检测设备的核心功能是用来检测晶圆制造和芯片成品的质量,辅助降本、提高良率和增强客户的订单获取能力。

检测设备自身不会改变晶圆或芯片的质地,但是经过优化的测试方法,可以在具有高测试覆盖率的前提下,控制成本并降低在最终客户那里的DPPM(Defective Parts Per Million),减少退货率。

一台测试设备对于半导体制造厂商来讲是重资产投入,其使用周期少说也要长达10至20年,在这样的超长“待机”背后,更考验的是半导体测试设备厂商的工程支持能力。而越是高端的测试设备,工程支持能力越为关键。“你同样用一台测试机验证IC设计,工程能力强的服务团队可能1个月就能帮你找到所有的bug,就可以快速进入量产上市阶段。”夏克金指出。


芯片融合时代:测试也要“上天入云”

过去简单的电子技术就可以满足的需求,如今可能需要人工智能、机器学习、无人驾驶、医疗仪器、基础设施扩建等多元覆盖实现。终端应用领域对于半导体技术的要求亦呈指数增长。因此,半导体元器件必须具备极高的可靠性,半导体测试设备对于供应链的价值也由此变得更加重要。

对应迅速更新迭代的智能世界,先进制程升级要求半导体检测技术快速迭代,因而对于ATE机台来说,平台通用化、模块化、灵活性高、可升级是未来技术发展的大趋势。系统级测试(SLT,system level test)、大数据分析、ATPG编程自动化等,都是测试领域应对未来半导体市场发展面临的挑战,这需要测试设备厂商有超前的技术眼光,随时跟进市场需求。

在此前十年,爱德万先后并购了Asia Electronics, Inc.、Credence Systems GmbH、Verigy以及W2BI.COM,进一步完善了公司除存储以外的业务布局,包括SoC、无线、汽车等综合领域。

当前芯片已经进入融合的时代 (Age of Convergence),这对于测试设备提出更多要求。和以往单一驱动力不同,现在的半导体产业有着众多的驱动力,从无人驾驶到虚拟现实,从人工智能到云计算,从5G到IoT,从传感器到SIP,众多驱动力共同推动半导体测试技术不断前行。

爱德万扩展的脚步从未停止。今年(2020年)7月,爱德万测试发布了TE-Cloud(Test Engineering Cloud)云平台服务,整合各个合作伙伴测试资源,可以为客户提供完整的测试程序开发环境,以及全方位测试外包服务。

9月,爱德万又与半导体软件市场数据分析解决方案PDF Solutions建立合作,拓展AI在测试领域的应用。使用AI和机器学习技术的PDF公司,通过软件平台进行的大数据分析,对于提高精细工艺关键点的良率,确保设备质量以及降低检测和测量成本至关重要。更重要的是,随着半导体制造、测试和装配的独立分工,PDF公司的Exensio平台和连接数据基础的Data Exchange Network(DEX),通过连接半导体供应链,将半导体工程师与半导体测试设备连接起来,为设计和制造提供重要的参考,有助于降低检测成本,提高性能和良率。而通过将PDF公司的Exensio平台和DEX,与高性能检测设备相结合,爱德万可以为客户提供在产业链上任何点位的连接、测试、测量和分析,有助于进一步提高客户的良率和降低检测成本。

近年来,集成电路测试需求的热点围绕IOT、5G、AI以及高性能计算(HPC),尤其是射频应用开发增长极快。在这个趋势下,测试设备开始要在整个产业链“上下左右”都多走一步。具体来说,要与IC设计层面结合更多,在产品层面则是更多需要向系统级测试(SLT)发展,往上走则是要接入云端、AI、大数据。夏克金表示,目前爱德万测试的业务已不止专注于后道,而是涵盖了全面的半导体产业链及SSD、手机、平板等系统测试产业,除了传统的SoC和存储测试机台之外,还包括了服务、支持、咨询、SSD测试以及分选机台、纳米电子束扫描电镜等机电业务。


中国市场测试需求不断增长

根据SEMI统计,目前全球半导体检测类设备市场规模超800亿元,其中前道量测设备市场规模约406亿元,后道测试设备约399亿元。从全球市场格局来看,当前半导体检测设备呈现寡头垄断格局。其中前道检测设备领域,科磊、应用材料、日立合计占比76%。在后道高端测试设备市场,以2011年爱德万收购惠睿捷(VERIGY)为标志,形成了以爱德万、泰瑞达为中心的双寡头格局。目前以爱德万、泰瑞达为代表的后道测试设备厂商形成了SOC测试、存储器测试、模拟信号测试、数模混合信号测试等全面的产品系列,同时对5G、AI、物联网等新兴趋势进行了积极开发布局,代表着行业最前沿的水平。

而伴随着中国兴建半导体厂的规划逐渐落地,以及国际半导体公司在中国的不断投入,中国开始引入越来越多的半导体测试设备。同时,在大方向上,随着终端市场需求增加,对于存储的需求格外旺盛,此外包括电源、模拟、逻辑产品的部分品类需求也呈爆发态势,极大地促进了行业对半导体测试设备的需求。

夏克金说,多年以前,国内的芯片设计水平和技术指标比较低,与国际甚至可能有一两代的差距。但是现在来看,这种差距总体上越来越小,在某些领域甚至都有可能实现反超。

根据国金证券的测算,科磊、爱德万、泰瑞达三家合计中国大陆地区销售收入规模为150亿元。国金证券预估上述三家公司在中国大陆地区的市占率超过70%,由此推测出中国大陆每年对半导体检测设备的需求量在 200亿元以上。

机构分析指出,尽管测试设备市场头部效应明显,在芯片制造、封测所涉及到的上千道加工工序中,包括晶圆检测在内的多个细分领域仍存在新玩家入局的机会。

目前国内半导体测试设备与国际水平仍有很大差距,但近年来已有一些国内企业崭露头角,并在一些层面打破国外测试机厂商的垄断,未来具备良好成长空间。国内半导体测试设备领先企业包括华峰测控、长川科技、武汉精鸿等,在模拟、存储测试机以及SoC测试机领域,都在积极布局,并取得了一定的突破。