芯片發(fā)展趨勢(shì)催生第三方檢測(cè)市場(chǎng)需求高漲，ATE設(shè)備亟需國產(chǎn)化

2020年《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》印發(fā)，中國政府第一次將封測(cè)企業(yè)拆分為封裝企業(yè)和測(cè)試企業(yè)，預(yù)示著中國大陸緊缺的第三方專業(yè)測(cè)試公司正逐步加速走上市場(chǎng)的舞臺(tái)。近年來，傳統(tǒng)芯片廠商交由封測(cè)廠商來完成的芯片測(cè)試業(yè)務(wù)，越來越多地被交給獨(dú)立測(cè)試廠商完成。國內(nèi)IC產(chǎn)業(yè)專業(yè)分工的趨勢(shì)不斷發(fā)展，獨(dú)立的IC測(cè)試廠商逐漸被行業(yè)重視起來。

芯片自動(dòng)化測(cè)試設(shè)備能夠通過計(jì)算機(jī)編程取代人工勞動(dòng)，自動(dòng)化的完成測(cè)試序列，極大程度地優(yōu)化檢測(cè)流程，提升效率，是全球半導(dǎo)體設(shè)備產(chǎn)業(yè)之中的重要組成部分。然而整個(gè)國際芯片測(cè)試設(shè)備市場(chǎng)90%以上份額被美日所占領(lǐng)，國產(chǎn)ATE中高端設(shè)備產(chǎn)業(yè)急需發(fā)展。


發(fā)展歷程

半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備主要經(jīng)歷啟動(dòng)期、震蕩期、高速發(fā)展期三個(gè)階段。1960-1995年期間，20世紀(jì)60年代，半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備主要測(cè)試簡(jiǎn)單模擬IC，測(cè)試速度小于10MHz，代表機(jī)型為仙童5000C；70年代，測(cè)試設(shè)備可測(cè)試中小規(guī)模IC，測(cè)試速度可達(dá)40MHz，代表機(jī)型為愛德萬TR4100；同時(shí)期，隨著家電行業(yè)的興起，半導(dǎo)體器材逐步從軍工延伸到家電領(lǐng)域，帶動(dòng)半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備不斷發(fā)展。

1996-2012年期間，20世紀(jì)90年代，半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備測(cè)試對(duì)象發(fā)展至LSI/VLSI，測(cè)試速度提升至500MHz，代表機(jī)型有愛德萬T-3330和泰瑞達(dá)A500。隨著2010年物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，拓寬了半導(dǎo)體器件的應(yīng)用領(lǐng)域，推動(dòng)全球半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大。

2013年至今，該階段半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備測(cè)試對(duì)象擴(kuò)展至SoC/MEMS等，測(cè)試速度提升至0.1-1GHz，代表機(jī)型有愛德萬T2000、泰瑞達(dá)UltraUFLEX。


全球半導(dǎo)體第三方檢測(cè)分析市場(chǎng)蓬勃發(fā)展

根據(jù)全球市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu) Markets and Markets 的預(yù)測(cè)，全球失效分析市場(chǎng)將由2020 年的 39 億美元增長至 2025 年的 59 億美元，同時(shí)，Markets and Markets 指出，半導(dǎo)體及相關(guān)電子產(chǎn)業(yè)屬于亞太地區(qū)失效分析市場(chǎng)最大的應(yīng)用領(lǐng)域，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展推動(dòng)了失效分析市場(chǎng)的增長。

根據(jù) QY Research 數(shù)據(jù)，包括失效分析等測(cè)試項(xiàng)目在內(nèi)的全球半導(dǎo)體第三方實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析市場(chǎng)規(guī)模目前已突破 30 億美元，預(yù)計(jì)在 2028 年達(dá)到 75 億美元，在半導(dǎo)體行業(yè)整體技術(shù)快速迭代的發(fā)展過程中，半導(dǎo)體檢測(cè)分析的需求增速將超過半導(dǎo)體行業(yè)整體市場(chǎng)增速。


我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，第三方實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析需求隨之提升

① 產(chǎn)業(yè)鏈轉(zhuǎn)移疊加產(chǎn)業(yè)政策加碼，我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展

受國際貿(mào)易摩擦和半導(dǎo)體技術(shù)封鎖等因素的影響，國家高度重視集成電路產(chǎn)業(yè)，出臺(tái)了各類政策鼓勵(lì)支持國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展、加快國產(chǎn)替代進(jìn)程。2020年 8 月，國務(wù)院發(fā)布《新時(shí)期促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)和軟件產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的若干政策》，從稅收、融資、人才、市場(chǎng)等多個(gè)維度支持國內(nèi)半導(dǎo)體相關(guān)企業(yè)的發(fā)展。

在我國政策大力支持，以及全球產(chǎn)業(yè)鏈分工變化的大背景下，全球集成電路產(chǎn)業(yè)正在進(jìn)行第三次產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移會(huì)引發(fā)產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向的變化和資源的重新配置，新興市場(chǎng)主體能夠有更多機(jī)會(huì)進(jìn)入市場(chǎng)，進(jìn)而帶動(dòng)整個(gè)行業(yè)的革新和發(fā)展。

中國作為產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的承接國，已經(jīng)憑借勞動(dòng)力成本優(yōu)勢(shì)和招商引資鼓勵(lì)政策、人才培養(yǎng)政策逐步承接了部分半導(dǎo)體封測(cè)和晶圓制造業(yè)務(wù)，推動(dòng)了芯片設(shè)計(jì)、晶圓制造、封裝測(cè)試等產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)的完善和發(fā)展。5G 建設(shè)的不斷深入也帶動(dòng)了物聯(lián)網(wǎng)、智能汽車等產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來集成電路、分立器件、光電器件等市場(chǎng)的需求有望持續(xù)增長。

中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)顯示，2021 年，中國集成電路行業(yè)銷售額為10,458.30 億元，同比增長 18.20%，其中設(shè)計(jì)業(yè)銷售額為 4,519.00 億元，制造業(yè)銷售額為 3,176.30 億元，封裝測(cè)試業(yè)銷售額為 2,763.00 億元，分別同比增長19.60%、24.07%、10.10%。根據(jù)國家統(tǒng)計(jì)局統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)集成電路產(chǎn)量已從 2012年的 779.61 億塊增長到 2021 年的 3,594.30 億塊，復(fù)合增長率達(dá)到15.54%。


② 半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化趨勢(shì)為測(cè)試分析市場(chǎng)提供發(fā)展契機(jī)

在國際貿(mào)易摩擦背景之下，發(fā)展半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)已上升至國家戰(zhàn)略層面，推動(dòng)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步是國家堅(jiān)定不移發(fā)展的大方向。在半導(dǎo)體國產(chǎn)化趨勢(shì)深化的大環(huán)境下，且在國家科技重大專項(xiàng)與產(chǎn)業(yè)投資基金的支持下，我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，國內(nèi)已陸續(xù)涌現(xiàn)一大批優(yōu)秀的芯片設(shè)計(jì)、芯片制造及封測(cè)廠商。

根據(jù)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)年會(huì)報(bào)告數(shù)據(jù)，目前國內(nèi)的芯片設(shè)計(jì)廠商已由 2016 年的 1,362 家增長至 2021 年的 2,810 家，2016 年至 2021 年，國內(nèi)集成電路設(shè)計(jì)行業(yè)產(chǎn)值復(fù)合增速高達(dá) 22.41%。芯片設(shè)計(jì)廠商通常基于終端應(yīng)用需求升級(jí)對(duì)于產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案進(jìn)行創(chuàng)新，帶來下游制造、封裝等多領(lǐng)域的工藝演進(jìn)，也會(huì)催生最前端材料及半導(dǎo)體設(shè)備的變革。由海外企業(yè)主導(dǎo)的設(shè)備及材料領(lǐng)域在近年來亦有所突破，國產(chǎn)替代趨勢(shì)不減。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)國產(chǎn)化必然經(jīng)歷反復(fù)研制與試驗(yàn)的過程，測(cè)試與分析市場(chǎng)也將迎來下游旺盛的檢測(cè)分析需求。檢測(cè)分析實(shí)驗(yàn)室綜合運(yùn)用多學(xué)科、多領(lǐng)域的檢測(cè)分析技術(shù)，向半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈各方提供多方位檢測(cè)分析結(jié)果，助力產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)升級(jí)發(fā)展，為產(chǎn)業(yè)鏈國產(chǎn)化保駕護(hù)航。


③ 我國半導(dǎo)體第三方實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析市場(chǎng)空間廣闊

檢測(cè)分析行業(yè)為各產(chǎn)業(yè)升級(jí)發(fā)展提供支撐性服務(wù)，與下游細(xì)分行業(yè)融合發(fā)展，新興領(lǐng)域檢驗(yàn)檢測(cè)市場(chǎng)受益于新興領(lǐng)域自身的高速發(fā)展，在整體檢測(cè)檢驗(yàn)市場(chǎng)中的收入占比逐漸提升。

國家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局?jǐn)?shù)據(jù)顯示，2021 年針對(duì)電子電器、機(jī)械等新興領(lǐng)域的第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)收入規(guī)模共計(jì) 737.71 億元，同比增長23.48%，其增速遠(yuǎn)高于檢驗(yàn)檢測(cè)整體行業(yè)增速。根據(jù)中國半導(dǎo)體協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)到 2024 年，我國半導(dǎo)體第三方實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析市場(chǎng)規(guī)模將超過 100 億元，2027 年行業(yè)市場(chǎng)空間有望達(dá)到 180-200 億元，年復(fù)合增長率將超過 10%。


芯片集成度上升，CP測(cè)試環(huán)節(jié)愈發(fā)重要

CP測(cè)試是指通過探針臺(tái)和測(cè)試機(jī)的配合使用，對(duì)晶圓上的裸芯片進(jìn)行功能和電參數(shù)測(cè)試。其測(cè)試過程為：探針臺(tái)將晶圓逐片自動(dòng)傳送至測(cè)試位置，芯片的Pad （Passivation opening，指封裝在芯片內(nèi)部的硅片管腳）點(diǎn)通過探針、專用連接線與測(cè)試機(jī)的功能模塊進(jìn)行連接，測(cè)試機(jī)對(duì)芯片施加輸入信號(hào)并采集輸出信號(hào)，判斷芯片功能和性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。測(cè)試結(jié)果通過通信接口傳送給探針臺(tái)，探針臺(tái)據(jù)此對(duì)芯片進(jìn)行打點(diǎn)標(biāo)記，形成晶圓的Map圖。

CP測(cè)試成本分為固定成本和可變成本。其中，固定成本主要包含DFT開發(fā)成本、設(shè)備成本以及測(cè)試程序制作和調(diào)試；可變成本主要對(duì)應(yīng)測(cè)試時(shí)間成本，主要考慮提高DFT測(cè)試效率，增加同測(cè)數(shù)以及盡可能提高測(cè)試程序效率。

CP測(cè)試在整個(gè)芯片制作流程中處于晶圓制造和封裝之間，測(cè)試對(duì)象是針對(duì)整片晶圓（Wafer）中的每一個(gè)晶粒（Die），目的是確保整片（Wafer）中的每一個(gè)Die都能基本滿足器件的特征或者設(shè)計(jì)規(guī)格書，通常包括電壓、電流、時(shí)序和功能的驗(yàn)證。由于Die的規(guī)格較小，進(jìn)行探測(cè)的探針（Probe）需要具備極高精度，因此壁壘較高。

CP測(cè)試的具體操作是在晶圓制作完成之后，成千上萬的裸Die（未封裝的芯片）規(guī)則地分布滿整個(gè)Wafer。由于尚未進(jìn)行劃片封裝，只需要將這些裸露在外的芯片管腳，通過探針（Probe）與測(cè)試機(jī)臺(tái)（Tester）連接，進(jìn)行芯片測(cè)試就是CP測(cè)試。


FT測(cè)試復(fù)雜性增加，ATE結(jié)構(gòu)測(cè)試成為主流

成品測(cè)試（FT-Final Test）主要是指通過分選機(jī)和測(cè)試機(jī)的配合使用，對(duì)封裝完成后的芯片進(jìn)行功能和電參數(shù)測(cè)試。其測(cè)試過程為：分選機(jī)將被測(cè)芯片逐個(gè)自動(dòng)傳送至測(cè)試工位，被測(cè)芯片的引腳通過測(cè)試工位上的基座、專用連接線與測(cè)試機(jī)的功能模塊進(jìn)行連接，測(cè)試機(jī)對(duì)芯片施加輸入信號(hào)并采集輸出信號(hào)，判斷芯片功能和性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。測(cè)試結(jié)果通過通信接口傳送給分選機(jī)，分選機(jī)據(jù)此對(duì)被測(cè)芯片進(jìn)行標(biāo)記、分選、收料或編帶。

成品測(cè)試在整個(gè)芯片測(cè)試產(chǎn)業(yè)鏈中占據(jù)了大部分的成本。在成品測(cè)試中，邏輯驗(yàn)證占時(shí)間的60%以上，且制造后的調(diào)試時(shí)間將造成較大的機(jī)會(huì)成本。因此，如何降低成品測(cè)試的時(shí)間成本成為半導(dǎo)體第三方測(cè)試廠商的重要突破方向。成品測(cè)試目前主要采取兩種方式：功能測(cè)試 (Functional Test)和結(jié)構(gòu)測(cè)試(Structural Test) 。

功能測(cè)試方法的基本原理是“黑箱理論”，在測(cè)試中，將檢驗(yàn)待測(cè)設(shè)計(jì)看作待測(cè)黑箱，不需要進(jìn)一步了解芯片內(nèi)部具體情況，只需要將一系列的測(cè)試向量通過測(cè)試機(jī)試加到被測(cè)芯片的輸入管腳上，然后運(yùn)行測(cè)試，被測(cè)芯片就會(huì)輸出相應(yīng)的測(cè)試響應(yīng)。功能測(cè)試往往耗費(fèi)時(shí)間長、成本相對(duì)較高。

與功能測(cè)試相對(duì)的是結(jié)構(gòu)測(cè)試（白盒測(cè)試）。結(jié)構(gòu)測(cè)試是在對(duì)于電路結(jié)構(gòu)清楚的基礎(chǔ)上，通過芯片的輸出管腳來觀測(cè)內(nèi)部信號(hào)的狀態(tài)。由于清楚電路結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)測(cè)試可以開發(fā)各種測(cè)試產(chǎn)生算法，自動(dòng)對(duì)電路產(chǎn)生相應(yīng)的測(cè)試向量并將測(cè)試反饋和自動(dòng)生成的期望響應(yīng)對(duì)比，快速評(píng)估測(cè)試質(zhì)量。過去十多年里DFT快速發(fā)展，ATE得到普及，結(jié)構(gòu)測(cè)試當(dāng)下已經(jīng)在FT等大部分場(chǎng)合取代高成本的功能測(cè)試；不過，SLT從性質(zhì)上也是功能測(cè)試，與主流ATE測(cè)試各有優(yōu)勢(shì)，目前滲透率也在逐步提升。