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深耕中国23年,这家国际测试龙头不惧“国产替代”

2023/12/06
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作为芯片质量的把关者,半导体测试是确保产品良率和成本控制的重要环节。

随着半导体行业的不断发展,半导体测试环节在产业链中所扮演的角色不断丰富、深化,成为产业链中一个不可或缺,具有承上启下作用的环节。

测试环节提升的不止有产业链中的地位,还有所肩负任务的复杂和困难程度,摩尔定律演进过程中所提升的单颗芯片复杂度、汽车智电化过程中对芯片的高要求、先进封装技术使得封装内任何芯片的缺陷都更难被检测。与此同时,半导体测试设备厂商还兼顾着上下游客户的各种需求——更短工程开发,更低的成本,更快的规模量产,更高的测试质量;分析解决问题,帮助客户快速将产品推向市场,获取前期利润

在此背景下,半导体测试设备厂商将如何解答产业发展及上下游客户带来的难题?信息时代,测试设备的发展趋势会是怎样?国内的设备商是否有机会借助“国产替代”实现弯道超车?

对于上述问题,在近期的媒体沟通会上,泰瑞达半导体亚太区销售副总裁Richard Hsieh和泰瑞达中国区总经理Felix Huang分享了他们的思考。

汽车芯片0 DPPM带来的挑战

半导体制造工艺十分复杂,包含成百上千道工序,每一道出错都可能影响芯片功效。因此,半导体测试贯穿半导体设计、晶圆制造、封装三大流程,通过在重要的工序后借助半导体检测设备对晶圆和芯片的质量进行检测,及时将不符合规范的产品剔除,将在有效提升产品良率的同时,实现对成本的控制。

国金证券在研报中指出,晶圆制造环节检测主要进行光学检测,封测环节主要进行电性能检测。半导体测试环节是避免“十倍成本”的关键。所谓“十倍成本”是指芯片故障若未在测试环节中发现,那么在后续电路板级别中发现故障导致的成本将在十倍以上。

图源:民生证券研报截图

随着半导体行业技术的发展,检测环节的复杂程度也与日俱增。

Richard Hsieh提到,随着制程的演进,自2015年后,测试产业进入到“复杂性时代”,产业复杂性主要体现于单颗芯片晶体数量增长速度远快于DFT技术的发展、先进封装技术的发展带来的测试难度提升、面对市场的激烈竞争,先进芯片上市窗口期越来越短等方面,工程师在对芯片进行校准、修复和测试时所需的步骤极大增加。

与此同时,智电化之下,单辆汽车对芯片的需求越来越大。相比消费电子,车规芯片有更高的测试要求,至少需要满足三个质量目标:

首先是DPPM满足一定级别(DPPM即Defect part per million,每百万产品中的不良品数目,消费芯片一般小于500,车规芯片为个位数甚至是0);

第二是要符合AEC-Q10X、ISO26262、TS/ISO16949三大行业标准;

三是要保证十年以上耐用性

图源:泰瑞达PPT截图

Richard Hsieh表示:“要实现0 DPPM,意味着任何一个环节都不能掉链子。半导体从设计到封测的环节、工序太多,这些环节中哪怕出现千分之一、万分之一的问题,乘起来带来的最终结果就是非常大的质量缺陷。”

根据 Yole 的统计,工艺节点每缩减一代,工艺中产生的致命缺陷数量会增加 50%。当工序超过500道时,只有保证每一道工序的良品率都超过99.99%,最终的良品率方可超过95%;当单道工序的良品率下降至99.98%时,最终的总良品率会下降至约90%。

泰瑞达是如何实现优化的?

按照Felix Huang的介绍,泰瑞达实现0 DPPM的路径主要体现于三个方面,策略、过程、工具,而贯穿其中也至关重要的则是数据

图源:泰瑞达PPT截图

 FLEX Test

首先,当晶圆加工完后,会检测是否有不良的Die;后续将晶圆分割成单个Die并进行装配,再进行封装,将封装好的芯片进行检测。但检测并未结束,泰瑞达之后还会满足芯片安装到系统板上系统级测试。在上述每个阶段,泰瑞达都有机台覆盖测试。Felix Huang强调,“零质量缺陷测试一定要从晶圆测试、成品测试和系统级测试三个方面来看。”

对测试设备商而言,测试的根本目的本质是帮助客户提升良率和有效产量,降低成本,加快产品的上市速度。想最大程度实现这一点,要求设备商要根据实际需求,将测试灵活地向前或向后移动,尽可能有效地减少测试步骤,降低整体测试成本。

图源:泰瑞达PPT截图

一般而言,相较于较中后期的封装与工艺环节,测试在芯片造价中所占成本要少很多,如果能在更早期的环节发现问题,将能帮客户节省诸多资金。优化测试策略是一个动态和持续的过程,大数据则是测试策略决策的重要依据。Felix Huang表示,“优化测试需要考虑在哪个阶段,进行什么样的测试项才能达到最优,这需要具体情况具体分析,不同的公司、不同的芯片都需要做不同的分析。”

 工具的设计与优化

值得一提的是,优化测试策略更多是做成本效益优化,想要减少测试、开发过程中的不确定性,提升产品开发和量产速度,需要其他的工具策略来实现。

基于此,泰瑞达推出PortBridge工具,其可以在制造过程中,弥合两个环节之间的沟通鸿沟,设计人员通过测试设备控制晶圆测试、成品测试和系统级测试,然后再根据设备反馈的数据做调试、优化,再反馈到晶圆厂、封测端,尽可能提升效率和良率。

图源:泰瑞达PPT截图

由于覆盖了更多场景,所测试芯片的功能、设计也越来越复杂,这也导致最终产生的数据量非常惊人,仅靠一人之力无法及时完成项目。基于这些变化,泰瑞达开发了多人协同分布式处理开发工具Git、测试程序开发软件IG-XL、全流程管理软件DevOps(Development Operation)。

Felix Huang表示:“泰瑞达的整个测试程序开发都基于IG-XL软件。同时,基于IG-XL软件,泰瑞达还有一个辅助工具Oasis,再加上全流程管理软件DevOps,可以保障最终检开发出来的代码质量。”

数据分析

在测试过程中产生的数据繁多,想要实现良率优化、质量控制、流程优化,那么对大数据的分析,并进行针对性的反馈、优化显得尤为重要。

对此,泰瑞达研发了一个大数据分析设备UltraEDGE,可在服务器内建FDE Fault Detect Engine工具,做质量和数据统计,同时可安装第三方数据分析软件,比如OptimalPlus、PDF数据管理软件。

工具在其中进行加密和机器学习,对抓到的原始数据进行分析,之后形成晶圆图,并通过颜色分块的方式将一些潜在的缺陷问题体现出来,最后反馈给晶圆厂,为其后续的生产优化和效率提升提供参考。

图源:泰瑞达PPT截图

Felix Huang强调,数据分析最终是看质量指标,而不是只看最早的测试结果,是需要将不同统计结果结合在一起来进行判断。他总结道:“在测试时,一定要定义好测试策略,包括用EDA软件做早期的器件调试,如PortBridge工具。在整个开发和发布的流程中,要用IG-XL、Oasis保证测试程序质量的可靠性;分析从前到后的数据,要有很强大的数据分析软件,才能实现测试零缺陷。”

从展示的案例看,数据是重中之重,对数据的分析、反馈同样重要。泰瑞达正在不断加强对数据分析的处理能力,并与一些独立做大数据分析的公司合作。与此同时,泰瑞达内部也早已成立专门研发团队,用以加速测试结果分析

产品迭代方向

对于半导体测试设备产品的发展方向,Felix Huang认为,一方面是进行大数据分析的辅助工具,包括质量辅助工具;另一方面则是自动化工具比如其在之前提到的全流程管理软件DevOps(Development Operation),这或许会是以后行业的趋势,在每个阶段尽可能有一个流程管理和版本控制的软件,避免人为出错。

三五年内 本土企业无法形成有力挑战

近年来,外部环境持续变幻,我国半导体行业受到较大影响。

深耕中国二十余年

测试环节在半导体产业链中的地位愈发重要,而泰瑞达是该细分领域中拥有最先进技术的头部厂商,未来是否也会被相关国家限制在华开展业务?

对此,Felix Huang认为,目前被限制的更多是人工智能大算力相关先进工艺的芯片,不用过于担心测试这些后端环节。Felix Huang表示,自2019年在泰瑞达带团队以来,越来越多的客户打消了上述疑虑。泰瑞达扎根中国20多年,团队人数接近百人。且生产销售的测试机台的美国成分都远低于3%了,一些都在1%左右

经历过外部环境的动荡及芯片短缺给生产经营带来的影响,“国产替代”已成我国半导体产业链发展中的大趋势,这从IC设计到终端应用中均有体现,不过各环节的“替代”程度略有差异。

不惧国产替代

作为半导体后道工艺的核心环节,测试领域同样面临着国产替代的情况。当谈及这一话题,泰瑞达中国区总经理Felix Huang并不避讳,他坦然道,面对国产替代潮,泰瑞达当然也会有焦虑,但也不会过分焦虑

Felix Huang解释道,在消费类白色家电、消费电子等对芯片质量及要求没那么复杂的领域,以当前国产设备商的发展迭代速度,预计未来三五年后便可对泰瑞达形成有力竞争。但在对芯片稳定性、可重复性、安全性有着高要求的车规级等领域,泰瑞达有全套的解决方案和丰富的技术沉淀,保持优势,当然泰瑞达欢迎和拥抱国内企业的竞争,愿跟本土企业一同耕耘中国市场。

图源:民生证券研报截图

值得一提的是,泰瑞达的底气。除了来自于凭借较强的技术、品牌在行业中建立的优势外,还包括泰瑞达与产业链上下游共同建立的协同生态。

在半导体行业分工细化趋势下,检测设备商在承接 IC 设计厂商和封测厂商的需求时,往往会针对性、定制化地提供配套设备。在彼此合作过程中,IC设计企业与测试设备商会根据实际需要,去打磨、调试设备,甚至联合开发产品。在多年的合作过程中,测试设备商与产业链上下游往往有着不错的默契与协同能力,且具备较强的定制化能力及稳定的客户群体,以此构建较为深厚的生态壁垒。

图源:国元证券研报截图

那这是否意味着,头部设备商的技术和生态壁垒坚不可破?后发测试设备商在产业竞争中毫无胜算?

事实上,对于测试设备商的选择,IC设计企业往往有着更强的话语权,这也导致测试机厂商与设计厂商之间的绑定合作关系更深。Felix Huang也提到,复杂、面向高端的测试设备需要有中高端的芯片来迭代,但这是国产机现在很难逾越的一道坎,这个坎是一个综合因素:鲜少用于板卡的高端芯片,成熟的软件开发平台,完备的配套。没有这样的机会,就没有这样的升级

根据民生证券统计数据,2021年,中国大陆为全球最大的芯片消费市场,约占全球芯片市场的35%,但国产芯片设计公司份额仍旧较低,仅占据全球IC市场总额 4%,而美国、韩国的市占率达 54%、22%。

图源:民生证券研报截图

另据华经产业研究数据,2021年爱德万、泰瑞达合计占据了超过80%的全球市场份额,国内厂商华峰测控仅占比3%;在中国测试机市场中,泰瑞达和爱德万分别占 据39%以及37%的市场份额,国内厂商华峰测控和长川科技分别占比8%和5%。

图源:民生证券研报截图

在多因素的叠加作用下,目前国内已经涌现类似圣邦股份、思瑞浦、卓胜微、晶晨股份等企业也已经成为细分领域的“小巨人”企业。

业界认为,国内IC企业基于对产业链成本、性能、供应链安全性和话语权等多方面考虑,会逐渐加大国内测试设备的采购。而随着本土IC设计企业逐渐切入中高端市场,也会倒逼或拉动国内测试设备企业向高端市场推进

在国内半导体行业彻底在高端市场站稳脚跟之前,测试设备环节仍会是泰瑞达、万德万两家头部企业唱主角。Felix Huang表示,不管是现在还是将来,泰瑞达在中国市场会扮演一个良性竞争的角色,针对高端市场的竞争,泰瑞达推出了UltraFLEXplus、ETS-800等产品,高端市场中除了国内企业,还有很多全球的优秀厂商。

“一直以来,泰瑞达有着一个口号——“we measure quality”,这从三十年前就开始了。”Felix Huang表示:“我们的测试平台,适合对产品质量有要求的客户,这类型的客户一定会存在,而泰瑞达也一定会有存在的意义,在中国市场同样如此。”

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