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全球将新建多座晶圆厂 半导体测试市场迎来黄金时代

2022/02/15 17:25:33  

得益于远程办公、5G、物联网、汽车电动电子化对芯片的旺盛需求,2021年半导体产业得到快速发展,同时带动了半导体设备市场的增长。测试设备尽管不如光刻机那么瞩目,却是每一道工艺都不可缺少的,其中既有面向前道工艺、先进制程的质量检测设备,也有用于晶圆加工后封测环节的测试机、分选机、探针台等。高速增长的市场,以及日趋复杂化的需求也为本土测试设备的发展提供了难得的契机。

投资大幅增长,市场规模将超80亿美元

半导体检测设备主要用于半导体制造过程中检测芯片的性能与缺陷,从设计验证、工艺控制检测,到晶圆测试、成品测试,贯穿整个半导体制造过程,以确保产品质量的可控性。上海精测半导体光学事业部总经理李仲禹表示,在IC制造行业,检测覆盖从硅锭到拉晶的基材制造,再到硅片切割,研磨的厚度、平整度、粗糙度,电子率量测等。在光刻工艺中,要检测层厚度、宽度和结晶度,以及图形位置准确性、图形缺陷、清洁度等。在注入工艺中,要做浓度、氧化层、CVD检测。他指出,前道芯片制造有上千道工艺,每道工艺良率损失0.1个百分点,最终良率就只有36.8%,因此每个工艺环节的良率控制非常关键,这也是先进节点IC制造中检测所占比重越来越高的原因。

2021年受新冠肺炎疫情影响,全球数字化浪潮加速到来,对芯片产品的需求快速提升,也带动了半导体设备市场的增长。以台积电为例,近两年不断在全球范围投资扩产。2020年5月,台积电宣布投资120亿美元在美国建设12英寸晶圆厂。2021年,台积电陆续宣布在中国大陆的南京和日本九州的熊本县投资、扩产28nm生产线,德国新厂的建设计划也在推进中。此外,台积电还在积极推进3nm及以下的晶圆厂建设,为先进工艺量产计划做准备。台积电总裁魏哲家表示,台积电将在未来3年投资1000亿美元,用于扩大晶圆制造产能和领先技术研发。

半导体后道封测方面的产能扩张也很快,包括英特尔计划投资70亿美元扩大其在马来西亚槟城州先进半导体封装工厂的生产能力,Amkor计划在越南投资16亿美元建设封测厂,日月光投控旗下矽品将在中国台湾地区投资约28.9亿美元新建封测厂。国内三大封测龙头长电科技、通富微电、华天科技,也分别募集资金数十亿元投入封测领域项目。

作为半导体设备中一个重要门类,测试设备的需求也水涨船高。SEMI数据显示,2020年至2024年,全球将新建或者扩建60座12英寸晶圆厂,同期还将有25座8英寸晶圆厂投入量产。从设备支出来看,2021年全球半导体设备销售总额首次突破1000亿美元,创1030亿美元新高,增长达44.7%。而就测试设备市场来看,2020年全球半导体测试设备市场规模为60.1亿美元,到2022年预计将达80.3亿美元,年复合增长率达到16%。

迭代加速,芯片测试复杂性不断提升

市场规模增长的同时,半导体测试设备的复杂度也在提升。根据泰瑞达中国区销售副总经理黄飞鸿的介绍,半导体测试设备大致经历了3个阶段。

1990年至2000年期间,半导体主流工艺基本处于0.8μm至0.13μm之间。这一阶段CMOS工艺蓬勃发展,SoC芯片功能越来越强。人们不断在芯片上集成模拟功能与数据接口。传统测试平台越来越难以覆盖新增加的高速模拟接口的测试需求。因此,这个时期对测试设备业来说,或可称为功能时代,主要体现为企业不断增加测试设备的功能性,以满足日趋复杂的SoC芯片需求。

到了2000—2015年,半导体工艺一路从0.13μm、90nm、65nm、28nm进展到14nm,工艺越来越先进,芯片尺寸也越来越小,晶体管的集成度也越来越高。芯片规模变大带来的直接挑战就是测试时间的延长,测试成本占比提高。如果说功能时代都是单工位测试,即同一时间只能测一颗芯片,那么进入这个时期人们对并行测试的要求就在不断提高了。测试设备板卡上面集成的通道数越来越多,能够同时做2工位、4工位、8工位的测试。这个时代也是资本最有效的时代,或可称为资本效率时代。

进入2020年之后,半导体工艺沿着5nm、2/3nm继续演进,芯片复杂度也在不断增加。随着5G、大数据、人工智能、自动驾驶等新兴市场的崛起,一颗芯片上承载的功能越来越多,产品迭代速度越来越快,甚至很多像AI和AP这样高复杂度芯片也要求进行逐年迭代。这意味着芯片测试的复杂度大幅递增。测试设备进一步分化,需要针对不同领域、不同要求进行调整。所以这个时代或可称之为复杂性时代。

利扬芯片董事总经理张亦锋也指出,现在的芯片测试已经不是简单的功能测试了,不光要回答芯片能不能用的问题,更要回答好不好用和能用多久的问题,由测试硬件和测试程序共同构建的测试解决方案已经是芯片产品竞争力的体现。同时,客户从测试环境、测试精度、测试监控、测试质量、测试成本等方面提出对系统级测试的更多要求。

以射频(RF)和电源管理类模拟芯片为例,芯片测试已经不仅是发现哪些是好的、哪些是不好的芯片,而是首先要对它们进行trim(微调),然后再测试,这样可以大大提高产品良率。微调频率、电压、电流等工作达到整个RF设计时间的40%。随着芯片的工艺尺寸变得越来越小,trim也变得越来越重要和普遍。

本土新机会,尤其关注先进封装测试需求

市场的快速增长和用户需求的复杂化为本土测试设备的发展提供了有利时机。张亦峰表示,首先应把握好本地市场的需求。测试设备市场2022年将维持高度景气,因为每一颗芯片都需要100%测试才能交付终端电子产品使用。前端晶圆设备支出高速增长必将带来产能的扩张。有数据统计,2021年中国晶圆产能增长了40%,未来2~3年扩产项目完全达产后将增长3倍,这势必带来晶圆测试和后端封装测试需求的同比增长。与全球市场相比,国内测试设备市场还处于发展初级阶段,在模拟测试机和机械手上有一定市场份额,但在高端测试机和探针台(Prober)设备方面基本可忽略。但这也意味着未来发展空间巨大。企业应以国内市场为基础,发挥高性价比、服务优质等优势,把握机会,同时把产品逐步向全球市场拓展。

其次,要抓住技术变革带来的新机会。黄飞鸿表示,芯片制造工艺持续演进给测试设备带来新的要求:一是更高的数据率下怎么样保证测试的精度;二是随着工艺不断演进,芯片里面集成晶体管的密度呈几何级数增加,量测设备涵盖从晶圆制造到封装等每道工艺,要求非常快速、准确、非破坏性地将潜在缺陷找出来,重在工艺控制和能力管理。而技术的变化与需求的分化为新进入者提供了契机。国内厂商应抓住这样的机会,在多个细分产品领域实现突破,为客户持续的降本增效提供产品基础。

此外,应特别关注先进封装市场的测试需求。黄飞鸿指出,未来半导体工艺演进有两个大的方向:一是沿着5纳米、2纳米、1纳米的路线继续往前走,但是这样的演进已经越来越困难了。另外一条是走异构集成路线,如Chiplet(芯粒)就是在一颗芯片里面集成不同的模块,不一定每个模块都需要用到2纳米、3纳米的工艺。把不同功能的芯片在片上集成封装就是一条发展路径。这对测试及相关设备也提出了新的要求。

张亦峰则强调,中国半导体产业历来重视对前道晶圆制造和芯片设计产业的扶持,封装由于历史的原因率先得到长足发展,而对测试产业以及测试设备产业则不够重视,产业链发展的不平衡已经凸显。目前情况下,中国测试设备企业应当抓住机遇,对标国际一流,在设备的稳定性、可靠性、一致性上努力钻研,下狠功夫,而不是仅仅追求成本最低。

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