透视半导体测试设备:芯片良率的捍卫者


  浦科投资 5月29日

从两起并购说起

2018年3月,美国半导体设备制造商KLA-Tencor花34亿美元现金加股票鲸吞了以色列半导体设备制造商奥宝科技。

无独有偶,两个月后,先前向美国外国投资委员会(CFIUS)打小报告的美国半导体企业科休(Cohu)宣布将以7.96亿美元现金加股票收购Xcerra。

这两起并购都发生在半导体测试设备领域,引起了各方的高度关注。本次就让我们窥探半导体测试设备,深入了解下这个行业的发展。



‍何为测试设备?


我们通常所说的半导体包括了集成电路(IC)、光电子器件、分立器件和传感器四大类。为了便于解释,我们这里就重点说下集成电路,俗称芯片。

集成电路测试设备就像一名耿直的检验员,每天做的事情就是存优汰劣,对生产过程中的工艺流程、晶圆半成品以及芯片成品进行检验,找出不符合要求的,确保生产良率,把好质量这一关。

图 晶圆测试结果

从晶圆硅片到一颗小小芯片的诞生,需要历经成百上千次的锤炼,方可成材,整个过程大致可分为IC设计、IC制造和IC封装测试等环节。其中,晶圆制造也称为前道工序,封装称为后道工序。

图   集成电路产业链示意图

资料来源:招商证券

集成电路测试贯穿整个产业链,包括芯片设计中的设计验证,晶圆制造中的晶圆测试和封装完成后的成品测试。

表  集成电路测试环节

资料来源:《半导体制造技术》(电子工业出版社)

由于关系到生产成本,芯片的生产过程对良率(合格率)的要求极高。芯片生产工艺复杂,工序步骤涉及上百道,只要有一道工艺良率不达标就可能前功尽弃,所谓一着不慎,满盘皆输。就成熟的工艺制程,芯片制造和封装环节的最终良率都要求在95%以上。

表  集成电路加工工艺合格率情况

资料来源:招商银行、AMEC

集成电路测试设备大致分为两类。

一类称为 工艺检测设备,对生产过程中工艺流程进行检测,侧重于表面性检测,包括尺寸形貌等,可细分光罩检测、薄膜检测、光学检测和晶圆缺陷检测等。KLA就是工艺检测设备领域的老大。

另一类称为 自动化测试设备(Automatic Test Equipment ,ATE)。对芯片的性能和功能进行检测,按功能可细分为SOC测试,RF测试、Memory IC测试等。Cohu就是ATE领域的龙头。

自动化测试设备包括了测试机(对芯片性能和功能检测的设备)、分选机(将经检测的芯片分类放置)和探针台(为芯片与测试机对接提供平台)。在晶圆制造部分主要由测试机和探针台配合使用,在封装测试部分主要由测试机和分选机配合使用。

图  集成电路产业链及测试设备利用情况

资料来源:长川科技招股说明书



全球测试设备发展空间大、垄断特征显著



集成电路测试设备在整个设备体系中具有重要地位。例如,国内封装巨头长电科技滁州封测项目采购的2000多台设备中,测试设备的采购比例就超过 四分之一

根据国际半导体协会(SEMI)统计,2017年,全球集成电路测试设备销售额45.3亿美元,增长25%,占所有设备比重为7.9%。过去五年,测试设备占整个设备的比重大致在8%-9%。据保守预计,2018年和2019年,全球测试设备每年市场规模大致在50亿美元。

图  集成电路测试设备市场规模和比重

资料来源:根据SEMI数据整理

目前,全球测试设备基本是美国和日本厂商的天下。其中,全球工艺测试设备呈现三足鼎立的格局,由美国的KLA、应用材料,日本的日立所把持,三家市场占有率合计达到 70%。

表   工艺检测设备细分领域市场情况

资料来源:根据Gartner数据整理

全球自动化测试设备(ATE)呈现寡头垄断,由美国的泰瑞达(Teradyne)、科休(Cohu),日本的爱德万(Advantest)三家厂商牢牢掌控,合计市场占有率在90%以上。

表  ATE细分领域市场情况

资料来源:根据Gartner数据整理

 泰瑞达和爱德万基本垄断了功能测试市场。


表  ATE功能细分市场情况

资料来源:根据Gartner数据整理



我国集成电路测试设备企业亟需加快转型步伐



未来几年,集成电路测试设备将迎来新契机。

在前道工序方面,随着先进制程工艺的演进,工艺步骤不断增多,加工精度也会随之提高,这就要求厂商加大对检测设备的技术研发力度。例如,当工艺制程推进到10nm以下,就要求测试设备厂商提高成像技术,满足先进工艺对检测的精度要求。

在后道工序方面,传统封装正在向先进封装延伸。先进封装是后摩尔时代的产物,主要有两大方向:一是减小封装体积,使其接近芯片大小;二是增加封装集成度,实现从2D封装向3D集成封装跨越。

据预计,2016-2021年,先进封装的复合增长率达7%,高于封测行业平均增长3-4%。随着3D集成封装的应用,工艺过程变得更为复杂,工序步骤会增加,对3D结构的检测也将增加对设备的需求。

   先进封装两大方向

资料来源:Gartner,太平洋证券研究院

目前,全球测试设备行业基本形成了垄断的局面。我国测试设备行业起步晚,整体规模较小,产品主要用于后道封装测试。

因此,我国检测设备应抓住集成电路工艺技术升级的机遇,从后道封装检测逐步走向前道检测,从自动化检测向工艺过程检测延伸,成功实现转型。


本文由徐磊、杨晓颖提供有关素材


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