芯片封测分离已是大势所趋，高效测试机成为行业追捧新对象
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半导体制造过程相当于是现代的炼金术，需要数千家公司和数万个工艺步骤的协同。由于其复杂性，良率是该行业关乎1000亿美元的问题。因此，制造过程需要不断进行关键状态检查，以支持人类创造更高级的产品。半导体行业的普通观察者通常会过度关注荷兰光刻机巨头ASML和光刻，尽管这只占半导体制造厂总设备的约22%，计量和检查约占工具的13%。
Aehr开发FOX-XP工具提高效率，成本约250万美元Aehr Test Solutions是美国一家拥有独特测试解决方案的小公司，其技术用于苹果的Face ID、英特尔硅光子学，以及最重要的SiC（碳化硅）。几年前，该公司在SiC（碳化硅）领域取得了早期成功。从那时起，由于他们的工具在SiC中的迅速采用，收入和股价飙升。由于提高了能效，SiC正迅速成为大功率电子设备的标准。为了支持电动汽车、可再生能源和储能的爆炸式增长，该行业正在寻求到本世纪末将晶圆产量从每年几十万片增加到每年数百万片。因为汽车和基础设施是已安装基础的一部分，故电气化终端市场的失败尤其具有灾难性。维护和修理需要在现场拆开复杂的设备，这些设备在首次制造时可能在常温下运行良好，但如果长时间暴露在更极端的环境中，故障和不规则现象会随着时间的推移而频繁出现。汽车和工业供应商需要进行密集的测试才能成为合格的供应商，即使合格了，也不能在测试上有所懈怠。SiC有许多与其易碎/脆性晶体结构相关的缺陷。主要来源包括衬底、外延或与掺杂相关的缺陷，例如螺纹位错、向内生长的堆垛层错和重组诱导的堆垛层错（RISF）。与其他半导体相比，它的良率特别低，占最终设备成本的30%左右。每个设备的汽车测试可能持续两到四天，测试数千台设备所需的时间将会特别长。大多数行业已经从分立功率器件转向多芯片模块。在这些情况下，一个坏的die可能导致许多好的die失败，在长达十年故障率为1%的情况下，标准12芯模块的故障率也将达到约15%。大多数行业使用封装或模块老化来消除高价值部件的早期失效率。在升高的温度/电压下进行加速压力测试可以通过测量测试期间设备性能的任何变化来帮助清除潜在的制造缺陷，从而最大限度地减少客户在现场拥有产品die的机会。这对于IGBT和标准硅基设备领域来说很好，因为老化时间更短。但对于SiC，由于所需老化时间较长，成本开始飙升。这就是Aehr Test System的新方法，他们不是创建模块级测试工具，而是制造晶圆级测试工具。Aehr为这些晶圆级老化测试开发了FOX-XP工具。每个晶圆可以包含多达1000个SiC器件。FOX-XP一次可以测试9到18个晶圆。FOX-XP在腔室内执行此操作，该腔充当高度调节的极端温度环境。FOX-XP工具的成本约为250万美元。
这些工具还必须与Aehr测试系统的WaferPak接触器一起使用。WaferPak类似于探针卡，但它不仅与晶圆接口，还承载晶圆。WaferPak被认为是一种消耗品，因为它们对于每种设计都是独一无二的，并且填充一个FOX-XP的成本约为150万美元。设计通常每隔几年就会改变一次。这些设计更改提高了终端市场功率设备的效率并降低了成本。测试重要性凸显，封测分离已是大势所趋随着产品进入高性能CPU、GPU、NPU、DSP和SoC时代，芯片内部集成的模块越来越多，生产制造过程中的失效模式也相应增多，芯片测试的重要性凸显，现有以封装为主、测试为辅的一体化构造已经无法满足测试需求，封测分离趋势正在逐步加重。芯片的测试主要分为三个阶段：芯片设计中的设计验证、晶圆制造中的晶圆测试（CP测试）以及封装完成后的成品测试（FT测试），其中CP测试和FT测试是半导体后道测试的核心环节。设计验证设计验证是采用相应的验证语言、验证工具及验证方法，在芯片生产之前验证芯片设计是否符合芯片定义的需求规格，是否已经完全释放了风险，发现并更正了所有的缺陷。众所周知流片费用高昂，在芯片生产过程中单单流片就占了总成本的60%。以28nm芯片为例：根据Gartner的数据显示，28nm制程芯片的平均设计成本为3000万美元。在芯片流片之后再发现设计故障基本无法更改，所以芯片设计验证处在流片环节的上游是减小流片损失的最优解。根据验证工具的不同可以分为EDA验证、FPGA原型验证、Emulator（仿真器）验证，其中EDA为主流的验证工具，通过软件仿真来验证电路设计的功能行为验证波形，可以直观、快速地找出功能bug。CP测试和FT测试CP测试在整个芯片制造过程中位于晶圆制造和封装之间，通过在检测头上装上以金线制成细如毛发的探针（probe），与晶粒上的接点（pad）接触，测试其电气特性，不合格的晶粒会被标上记号，而后当晶圆以晶粒为单位切割成独立的晶粒时，标有记号的不合格晶粒会被淘汰。FT测试是芯片在封装完成以后进行的最终的功能和性能测试，是产品质量控制的最后环节。一般来说，CP测试的项目比较多也比较全，FT测试的项目比较少，但都是关键项目，条件严格。CP测试与FT测试的持续时间与测试覆盖率直接相关，测试时间越长则测试覆盖率越好。但是收费标准也是根据按照测试时间而定，测试项越多，测试时间就会越长，费用越高。芯片制造过程中的测试成本约占设计费用的5%，以28nm的3000万美元成本计算，测试花费成本大概150万美元，这个费用和芯片设计的总费用相比似乎不算多，但对于一些中小规模公司来说，芯片的测试成本已经接近研发成本，此时就有一些公司流片完成后直接切割封装，砍去了CP测试的环节，只做少量的封装测试（FT测试）以减少成本。不过，这样做的结果就是一些有故障问题的芯片未能被检测出来就直接装机流向客户。但仔细算算，即使CP环节直接省去，总成本也降低不到5%，产品退回或者赔偿都远远高于5%的成本。反观单单流片就占了总成本的60%，倒不如在流片前加强质量把控。最后，FT作为产品质量的直接把控，如果把有功能缺陷的芯片卖给客户，损失是极其惨重的，不仅是经济上的赔偿，还有损信誉，对客户回流意义重大，价值更是不可估量。可见测试再也不是芯片制造的配角更不是封装的附属品，芯片测试非常必要，且一定要专注去做。但是这些年，由于长期被迫与封装捆绑，导致芯片测试业缺乏承接客户能力，加之整个行业起步较慢，在整个发展过程中面临诸多困难。
高端半导体测试机为核心资产全球半导体设备市场规模约千亿美元。根据国际半导体产业协会 SEMI 最新的统计数据，受晶圆厂建设推动，预计2022 年全球半导体制造设备总销售额有望增至 1085 亿美元，同比增长 5.9%；预计全球半导体设备市场规模 2023 年将收缩至 912 亿美元。测试机为后道测试设备最大细分领域，约 38 亿美元。据 SEMI 统计，半导体测试设备 2020 年市场规模为 60.1 亿美元，到 2022 年预计将达 80.3 亿美元，两年 CAGR 达 16%。从测试设备结构来看，测试机占比最大，达到 63.1%，而分选机、探针台占比分别为 17.4%、15.2%。测试机中，SoC 及存储类测试及应用最广，在全球和国内市场均在 70%左右结构占比。国内半导体测试设备市场份额主要由进口产品占据。据 SEMI 统计，爱德万、泰瑞达在测试机领域基于长期积累，合计份额超过 80%；其他主要厂商包括科休、长川科技、华峰测控等。国产集成电路测试设备主要集中在中低端领域，而高端的测试设备主要依赖于国际主流的测试设备厂商，如美国泰瑞达、日本爱德万，单机进口价格动辄数十万美元。伟测科技的高端测试设备机台数量在中国大陆行业领先，已经成为中国大陆高端芯片测试服务的主要供应商之一。公司现有机器设备以进口设备为主，主要供应商包括爱德万、泰瑞达、Semics 等国际知名测试设备厂商。独立第三方测试服务的优势与兴起集成电路产业早期是 IDM 垂直整合运营模式，代表企业如 Intel、三星等。随着技术升级的成本越来越高以及对 IC 产业生产效率的要求提升，促使整个产业逐渐发展为设计、制造、封装、测试分离的垂直分工产业链模式。在“封测一体化”的商业模式上，集成电路行业诞生了“独立第三方测试服务”的新模式。独立第三方测试企业专业从事晶圆和芯 片成品测试业务，是行业内测试服务的主要供给方，主要服务的客户为芯片设计公司，同 时也大量承接封测一体企业、晶圆制造企业、IDM 厂商外包的测试业务。
IDM 企业、晶圆制造企业及封测企业的 CP 测试产能通常较小，通常需要与第三方测试服务商合作。1）IDM 企业覆盖芯片设计、制造、封装、测试全流程，通过自建封测厂满足芯片测试需求。随着行业竞争的加剧以及先进制程的资本性支出急剧上升，为了专注于芯片设计和晶圆制造核心环节，IDM 企业有意减少封测环节的投资，将部分测试需求外包给封测一体企业、独立第三方测试企业来完成。2）晶圆制造企业为了服务于内部生产与 研发，通常配备少量的晶圆测试产能，由于产能较小，一旦测试需求超过晶圆代工厂的负 荷，晶圆代工厂就会考虑将晶圆测试服务外包给独立第三方测试企业或者封测一体企业来 完成。3）晶圆测试与封装的业务关联性不高，封测一体企业的晶圆测试产能通常较小，需要将部分晶圆测试业务外包给独立第三方测试企业来执行，因此与独立第三方测试企业产生较为紧密的合作关系。FT 测试方面，封测一体企业在芯片成品测试业务上与独立第三方测试企业存在既竞争又合作的关系。FT 测试与封装的业务关联性较大，封测一体企业较为重视该业务，但是由于测试平台的类型较多，封测一体企业无法做到封装和芯片成品测试产能的完全匹配，需要将部分芯片成品测试外包给独立第三方测试企业来执行。此外，独立第三方测试服务模式具有如下优点：1. 独立第三方测试服务厂商在技术专业性和效率上的优势更明显。独立第三方测试服务厂商将全部的人力、物力和资金专注于测试业务，而封测一体厂商的核心业务是封装，测试业务只是占比很小的次要业务，因此无论是测试技术的专业性、测试设备的多样性和先进性、测试服务的效率和品质等方面，独立第三方测试服务厂商的优势更加突出。2. 独立第三方测试厂商的测试结果中立客观，更受信赖。集成电路测试本质是对设计环节、晶圆制造环节、芯片封装环节的工作进行监督和检验，封测一体企业同时提供封装和测试服务，并且封装业务的金额占比更大，因此在测试结果的中立性和客观性上存在局限性，而独立第三方测试厂商独立于以上环节，能够从中立的立场出具客观公正的测试结果，更容易获得芯片设计公司的信赖。
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