據(jù)SemiAnalysis報道，美國測試公司Aehr Test Solutions開發(fā)出名為FOX-XP的新工具以提高晶圓級老化測試效率，大大降低成本。

半導(dǎo)體制造過程相當(dāng)于是現(xiàn)代的煉金術(shù)，需要數(shù)千家公司和數(shù)萬個工藝步驟的協(xié)同。由于其復(fù)雜性，良率是該行業(yè)關(guān)乎1000億美元的問題。因此，制造過程需要不斷進(jìn)行關(guān)鍵狀態(tài)檢查，以支持人類創(chuàng)造更高級的產(chǎn)品。

半導(dǎo)體行業(yè)的普通觀察者通常會過度關(guān)注荷蘭光刻機(jī)巨頭ASML和光刻，盡管這只占半導(dǎo)體制造廠總設(shè)備的約22%，計量和檢查約占工具的13%。

Aehr開發(fā)FOX-XP工具提高效率，成本約250萬美元

Aehr Test Solutions是美國一家擁有獨特測試解決方案的小公司，其技術(shù)用于蘋果的Face ID、英特爾硅光子學(xué)，以及最重要的SiC（碳化硅）。幾年前，該公司在SiC（碳化硅）領(lǐng)域取得了早期成功。從那時起，由于他們的工具在SiC中的迅速采用，收入和股價飆升。

由于提高了能效，SiC正迅速成為大功率電子設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)。為了支持電動汽車、可再生能源和儲能的爆炸式增長，該行業(yè)正在尋求到本世紀(jì)末將晶圓產(chǎn)量從每年幾十萬片增加到每年數(shù)百萬片。

因為汽車和基礎(chǔ)設(shè)施是已安裝基礎(chǔ)的一部分，故電氣化終端市場的失敗尤其具有災(zāi)難性。維護(hù)和修理需要在現(xiàn)場拆開復(fù)雜的設(shè)備，這些設(shè)備在首次制造時可能在常溫下運行良好，但如果長時間暴露在更極端的環(huán)境中，故障和不規(guī)則現(xiàn)象會隨著時間的推移而頻繁出現(xiàn)。

汽車和工業(yè)供應(yīng)商需要進(jìn)行密集的測試才能成為合格的供應(yīng)商，即使合格了，也不能在測試上有所懈怠。SiC有許多與其易碎/脆性晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)的缺陷。主要來源包括襯底、外延或與摻雜相關(guān)的缺陷，例如螺紋位錯、向內(nèi)生長的堆垛層錯和重組誘導(dǎo)的堆垛層錯（RISF）。與其他半導(dǎo)體相比，它的良率特別低，占最終設(shè)備成本的30%左右。

每個設(shè)備的汽車測試可能持續(xù)兩到四天，測試數(shù)千臺設(shè)備所需的時間將會特別長。大多數(shù)行業(yè)已經(jīng)從分立功率器件轉(zhuǎn)向多芯片模塊。在這些情況下，一個壞的die可能導(dǎo)致許多好的die失敗，在長達(dá)十年故障率為1%的情況下，標(biāo)準(zhǔn)12芯模塊的故障率也將達(dá)到約15%。

大多數(shù)行業(yè)使用封裝或模塊老化來消除高價值部件的早期失效率。在升高的溫度/電壓下進(jìn)行加速壓力測試可以通過測量測試期間設(shè)備性能的任何變化來幫助清除潛在的制造缺陷，從而最大限度地減少客戶在現(xiàn)場擁有產(chǎn)品die的機(jī)會。

這對于IGBT和標(biāo)準(zhǔn)硅基設(shè)備領(lǐng)域來說很好，因為老化時間更短。但對于SiC，由于所需老化時間較長，成本開始飆升。這就是Aehr Test System的新方法，他們不是創(chuàng)建模塊級測試工具，而是制造晶圓級測試工具。

Aehr為這些晶圓級老化測試開發(fā)了FOX-XP工具。每個晶圓可以包含多達(dá)1000個SiC器件。FOX-XP一次可以測試9到18個晶圓。FOX-XP在腔室內(nèi)執(zhí)行此操作，該腔充當(dāng)高度調(diào)節(jié)的極端溫度環(huán)境。FOX-XP工具的成本約為250萬美元。

這些工具還必須與Aehr測試系統(tǒng)的WaferPak接觸器一起使用。WaferPak類似于探針卡，但它不僅與晶圓接口，還承載晶圓。WaferPak被認(rèn)為是一種消耗品，因為它們對于每種設(shè)計都是獨一無二的，并且填充一個FOX-XP的成本約為150萬美元。設(shè)計通常每隔幾年就會改變一次。

這些設(shè)計更改提高了終端市場功率設(shè)備的效率并降低了成本。


測試重要性凸顯，封測分離已是大勢所趨

隨著產(chǎn)品進(jìn)入高性能CPU、GPU、NPU、DSP和SoC時代，芯片內(nèi)部集成的模塊越來越多，生產(chǎn)制造過程中的失效模式也相應(yīng)增多，芯片測試的重要性凸顯，現(xiàn)有以封裝為主、測試為輔的一體化構(gòu)造已經(jīng)無法滿足測試需求，封測分離趨勢正在逐步加重。

芯片的測試主要分為三個階段：芯片設(shè)計中的設(shè)計驗證、晶圓制造中的晶圓測試（CP測試）以及封裝完成后的成品測試（FT測試），其中CP測試和FT測試是半導(dǎo)體后道測試的核心環(huán)節(jié)。


設(shè)計驗證

設(shè)計驗證是采用相應(yīng)的驗證語言、驗證工具及驗證方法，在芯片生產(chǎn)之前驗證芯片設(shè)計是否符合芯片定義的需求規(guī)格，是否已經(jīng)完全釋放了風(fēng)險，發(fā)現(xiàn)并更正了所有的缺陷。

眾所周知流片費用高昂，在芯片生產(chǎn)過程中單單流片就占了總成本的60%。以28nm芯片為例：根據(jù)Gartner的數(shù)據(jù)顯示，28nm制程芯片的平均設(shè)計成本為3000萬美元。在芯片流片之后再發(fā)現(xiàn)設(shè)計故障基本無法更改，所以芯片設(shè)計驗證處在流片環(huán)節(jié)的上游是減小流片損失的最優(yōu)解。

根據(jù)驗證工具的不同可以分為EDA驗證、FPGA原型驗證、Emulator（仿真器）驗證，其中EDA為主流的驗證工具，通過軟件仿真來驗證電路設(shè)計的功能行為驗證波形，可以直觀、快速地找出功能bug。


CP測試和FT測試

CP測試在整個芯片制造過程中位于晶圓制造和封裝之間，通過在檢測頭上裝上以金線制成細(xì)如毛發(fā)的探針（probe），與晶粒上的接點（pad）接觸，測試其電氣特性，不合格的晶粒會被標(biāo)上記號，而后當(dāng)晶圓以晶粒為單位切割成獨立的晶粒時，標(biāo)有記號的不合格晶粒會被淘汰。

FT測試是芯片在封裝完成以后進(jìn)行的最終的功能和性能測試，是產(chǎn)品質(zhì)量控制的最后環(huán)節(jié)。一般來說，CP測試的項目比較多也比較全，F(xiàn)T測試的項目比較少，但都是關(guān)鍵項目，條件嚴(yán)格。

CP測試與FT測試的持續(xù)時間與測試覆蓋率直接相關(guān)，測試時間越長則測試覆蓋率越好。但是收費標(biāo)準(zhǔn)也是根據(jù)按照測試時間而定，測試項越多，測試時間就會越長，費用越高。

芯片制造過程中的測試成本約占設(shè)計費用的5%，以28nm的3000萬美元成本計算，測試花費成本大概150萬美元，這個費用和芯片設(shè)計的總費用相比似乎不算多，但對于一些中小規(guī)模公司來說，芯片的測試成本已經(jīng)接近研發(fā)成本，此時就有一些公司流片完成后直接切割封裝，砍去了CP測試的環(huán)節(jié)，只做少量的封裝測試（FT測試）以減少成本。不過，這樣做的結(jié)果就是一些有故障問題的芯片未能被檢測出來就直接裝機(jī)流向客戶。

但仔細(xì)算算，即使CP環(huán)節(jié)直接省去，總成本也降低不到5%，產(chǎn)品退回或者賠償都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于5%的成本。反觀單單流片就占了總成本的60%，倒不如在流片前加強(qiáng)質(zhì)量把控。最后，F(xiàn)T作為產(chǎn)品質(zhì)量的直接把控，如果把有功能缺陷的芯片賣給客戶，損失是極其慘重的，不僅是經(jīng)濟(jì)上的賠償，還有損信譽(yù)，對客戶回流意義重大，價值更是不可估量。

可見測試再也不是芯片制造的配角更不是封裝的附屬品，芯片測試非常必要，且一定要專注去做。但是這些年，由于長期被迫與封裝捆綁，導(dǎo)致芯片測試業(yè)缺乏承接客戶能力，加之整個行業(yè)起步較慢，在整個發(fā)展過程中面臨諸多困難。

高端半導(dǎo)體測試機(jī)為核心資產(chǎn)

全球半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模約千億美元。

根據(jù)國際半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)協(xié)會 SEMI 最新的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，受晶圓廠建設(shè)推動，預(yù)計2022 年全球半導(dǎo)體制造設(shè)備總銷售額有望增至 1085 億美元，同比增長 5.9%；預(yù)計全球半導(dǎo)體設(shè)備市場規(guī)模 2023 年將收縮至 912 億美元。

測試機(jī)為后道測試設(shè)備最大細(xì)分領(lǐng)域，約 38 億美元。據(jù) SEMI 統(tǒng)計，半導(dǎo)體測試設(shè)備 2020 年市場規(guī)模為 60.1 億美元，到 2022 年預(yù)計將達(dá) 80.3 億美元，兩年 CAGR 達(dá) 16%。

從測試設(shè)備結(jié)構(gòu)來看，測試機(jī)占比最大，達(dá)到 63.1%，而分選機(jī)、探針臺占比分別為 17.4%、15.2%。

測試機(jī)中，SoC 及存儲類測試及應(yīng)用最廣，在全球和國內(nèi)市場均在 70%左右結(jié)構(gòu)占比。

國內(nèi)半導(dǎo)體測試設(shè)備市場份額主要由進(jìn)口產(chǎn)品占據(jù)。

據(jù) SEMI 統(tǒng)計，愛德萬、泰瑞達(dá)在測試機(jī)領(lǐng)域基于長期積累，合計份額超過 80%；其他主要廠商包括科休、長川科技、華峰測控等。

國產(chǎn)集成電路測試設(shè)備主要集中在中低端領(lǐng)域，而高端的測試設(shè)備主要依賴于國際主流的測試設(shè)備廠商，如美國泰瑞達(dá)、日本愛德萬，單機(jī)進(jìn)口價格動輒數(shù)十萬美元。


偉測科技的高端測試設(shè)備機(jī)臺數(shù)量在中國大陸行業(yè)領(lǐng)先，已經(jīng)成為中國大陸高端芯片測試服務(wù)的主要供應(yīng)商之一。公司現(xiàn)有機(jī)器設(shè)備以進(jìn)口設(shè)備為主，主要供應(yīng)商包括愛德萬、泰瑞達(dá)、Semics 等國際知名測試設(shè)備廠商。


獨立第三方測試服務(wù)的優(yōu)勢與興起

集成電路產(chǎn)業(yè)早期是 IDM 垂直整合運營模式，代表企業(yè)如 Intel、三星等。隨著技術(shù)升級的成本越來越高以及對 IC 產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)效率的要求提升，促使整個產(chǎn)業(yè)逐漸發(fā)展為設(shè)計、制造、封裝、測試分離的垂直分工產(chǎn)業(yè)鏈模式。

在“封測一體化”的商業(yè)模式上，集成電路行業(yè)誕生了“獨立第三方測試服務(wù)”的新模式。

獨立第三方測試企業(yè)專業(yè)從事晶圓和芯 片成品測試業(yè)務(wù)，是行業(yè)內(nèi)測試服務(wù)的主要供給方，主要服務(wù)的客戶為芯片設(shè)計公司，同 時也大量承接封測一體企業(yè)、晶圓制造企業(yè)、IDM 廠商外包的測試業(yè)務(wù)。

IDM 企業(yè)、晶圓制造企業(yè)及封測企業(yè)的 CP 測試產(chǎn)能通常較小，通常需要與第三方測試服務(wù)商合作。

1）IDM 企業(yè)覆蓋芯片設(shè)計、制造、封裝、測試全流程，通過自建封測廠滿足芯片測試需求。隨著行業(yè)競爭的加劇以及先進(jìn)制程的資本性支出急劇上升，為了專注于芯片設(shè)計和晶圓制造核心環(huán)節(jié)，IDM 企業(yè)有意減少封測環(huán)節(jié)的投資，將部分測試需求外包給封測一體企業(yè)、獨立第三方測試企業(yè)來完成。

2）晶圓制造企業(yè)為了服務(wù)于內(nèi)部生產(chǎn)與 研發(fā)，通常配備少量的晶圓測試產(chǎn)能，由于產(chǎn)能較小，一旦測試需求超過晶圓代工廠的負(fù) 荷，晶圓代工廠就會考慮將晶圓測試服務(wù)外包給獨立第三方測試企業(yè)或者封測一體企業(yè)來 完成。

3）晶圓測試與封裝的業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)性不高，封測一體企業(yè)的晶圓測試產(chǎn)能通常較小，需要將部分晶圓測試業(yè)務(wù)外包給獨立第三方測試企業(yè)來執(zhí)行，因此與獨立第三方測試企業(yè)產(chǎn)生較為緊密的合作關(guān)系。

FT 測試方面，封測一體企業(yè)在芯片成品測試業(yè)務(wù)上與獨立第三方測試企業(yè)存在既競爭又合作的關(guān)系。FT 測試與封裝的業(yè)務(wù)關(guān)聯(lián)性較大，封測一體企業(yè)較為重視該業(yè)務(wù)，但是由于測試平臺的類型較多，封測一體企業(yè)無法做到封裝和芯片成品測試產(chǎn)能的完全匹配，需要將部分芯片成品測試外包給獨立第三方測試企業(yè)來執(zhí)行。

此外，獨立第三方測試服務(wù)模式具有如下優(yōu)點：

1. 獨立第三方測試服務(wù)廠商在技術(shù)專業(yè)性和效率上的優(yōu)勢更明顯。

獨立第三方測試服務(wù)廠商將全部的人力、物力和資金專注于測試業(yè)務(wù)，而封測一體廠商的核心業(yè)務(wù)是封裝，測試業(yè)務(wù)只是占比很小的次要業(yè)務(wù)，因此無論是測試技術(shù)的專業(yè)性、測試設(shè)備的多樣性和先進(jìn)性、測試服務(wù)的效率和品質(zhì)等方面，獨立第三方測試服務(wù)廠商的優(yōu)勢更加突出。

2. 獨立第三方測試廠商的測試結(jié)果中立客觀，更受信賴。

集成電路測試本質(zhì)是對設(shè)計環(huán)節(jié)、晶圓制造環(huán)節(jié)、芯片封裝環(huán)節(jié)的工作進(jìn)行監(jiān)督和檢驗，封測一體企業(yè)同時提供封裝和測試服務(wù)，并且封裝業(yè)務(wù)的金額占比更大，因此在測試結(jié)果的中立性和客觀性上存在局限性，而獨立第三方測試廠商獨立于以上環(huán)節(jié)，能夠從中立的立場出具客觀公正的測試結(jié)果，更容易獲得芯片設(shè)計公司的信賴。