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后摩尔时代的半导体测试:如何为产业链“承上启下”?

来源:爱集微

#爱德万#

#半导体测试#

01-24 07:08

集微网报道,测试设备主要用于半导体制造过程中检测芯片性能与缺陷,几乎每一步主要工艺完成后都需要进行,贯穿于整个半导体生产的始末。

面对飞速前进中的半导体工艺技术,超长“待机”服务的半导体测试设备要如何始终走在被测芯片的前面?随着半导体工艺的不断升级和下游应用的日益复杂,与半导体产业密不可分的测试的角色也在不断丰富和深化。

“承上启下”:不断深化的测试角色

根据不同类型芯片的测试需求的侧重点,半导体测试机主要细分领域为存储器、SoC、模拟、数字、分立器件和 RF测试机。从全球范围来看,ATE市场以存储器和SoC测试占据绝大部分。而国内在模拟测试、分立器件测试等领域仍然有良好的市场空间。其中,SoC 测试机主要针对SoC 芯片(System on Chip)即系统级芯片设计的测试系统;存储测试机主要针对存储器进行测试,一般通过写入一些数据之后在进行读回、校验进行测试。其中,SoC 与存储测试机难度最高,同时在结构占比上也是测试机中占比最大的部分,在全球和国内市场均在 70%左右占比。比如全球ATE头部厂商爱德万测试2020年年报披露,2020财年实现营收25.52亿美元,SoC芯片测试和存储器芯片测试业务占公司总收入比重81%,其中SoC芯片测试占 57%,存储器芯片测试占24%,其在中国大陆及台湾市场的销售额超过60%。

半导体测试机通常要“超长”待机服务于产业,时间跨度往往以10年为维度计算。过去几十年来,从技术层面看,半导体测试产业已经很久没有大革新了。但如今随着5G、大数据、人工智能、自动驾驶等新兴市场的崛起,半导体产业正被众多驱动力推动着进入高速发展阶段。芯片已经进入融合时代,直接变化就是,一颗芯片上承载的功能越来越多,芯片工艺越来越复杂,这不仅意味着测试的复杂度也将成倍递增,也让芯片的良率更依赖测试的高级功能。

“传统测试厂商扮演的角色是告诉你某颗芯片好不好,但这一单一角色显然已远不能满足当下的需求。”爱德万测试(中国)业务发展高级经理葛樑日前对集微网指出,“现在测试设备需要提供的不只是芯片好不好,更要提供好到什么程度,不好到什么程度,问题在哪里,以及如何改进。”

测试在整个价值链条所起的作用随着产业技术的进步正不断发生改变。事实上,随着芯片技术工艺复杂度的提升,测试之于整个产业链越来越具有承上启下的作用,角色也不断丰富、深化。“从测试这个点上来看,同样要往产业链左边、右边都能拓展开,向右能帮助到后面系统级的应用,同时向左也能帮助到前面的生产工艺、设计等。”葛樑解释。

值得注意的是, “Shift Left”是近年来整个半导体产业开始不断讨论的理念。该词起源于软件行业,是指在开发流程的早期发现并修复错误,而不是在发布后的测试期间再发现错误,因为在发布后修复这些问题的成本要高出100倍。而半导体行业的这一成本显然更高。具体到半导体测试这一点上,同样也需要这一概念。

具体来看,面向右边的应用端,芯片做出来以后是要装到系统里面去使用,就要进一步测试在系统中的表现是否良好。而有些时候,某颗芯片或者系统刚测出来时是好的,但是其中可能有些潜在的因素导致它在后面的可靠性不是很高,通过测试还要进一步提供其使用寿命、可靠性程度等,这些也是要通过测试被筛选出来,尤其是在车载芯片领域,可靠性是最关键的因素。

面向产业链的左边,测试则要反馈,IC设计的部分是否足够好?IC设计是否能提供足够的测试访问能力?生产端是否有工艺上的问题?而产业链的后段如何对前段的设计、生产工艺、封装工艺等有所帮助,也是当前产业界十分重视的部分。

越高端、越复杂的芯片对测试的依赖度越高,同时测试设备的高级功能对于5G、IoT和云计算等半导体厂商来说变得越来越重要。半导体测试设备厂商(ATE)的角色也随着产业的发展而不断蜕变升级。目前,在全球的ATE市场格局上,泰瑞达、爱德万形成了SoC测试、存储器测试、模拟信号测试、数模混合信号测试等全面的产品系列,同时对5G、AI、物联网等新兴趋势进行了积极开发布局,代表着行业前沿的水平。

以爱德万测试为例,过去六十多年来就在不断深化其最为测试厂商的角色——从最初的芯片级测试到系统级测试再延伸至端到端测试,爱德万测试一直“在不断进化的半导体价值链中追求顾客价值。”

目前,爱德万测试的产品已经全面覆盖从晶圆光刻测试到系统级测试再延伸至端到端测试,可以覆盖包括存储器、SoC、LCD 芯片、MCU以及传感器IC等几乎所有的测试。

测试永远走在芯片前面 

对于测试厂商而言,不是追赶市场趋势,更多是要去预言下一代趋势。因为测试仪器必须走在被测试的芯片前面。

而如何让待机周期超长的测试机可以始终走在前面?那就意味着高端测试机必须向可扩展性测试平台方向发展,灵活性、兼容性和可扩展性是关键的能力。在单一平台上,通过硬件板卡和软件工具的演进和拓展,不断提高其测试能力和应用范围,以面对新的需求,并最大程度上保护用户在设备和技术能力上的投入。

例如,爱德万测试的V93000测试机于1999年最初上市。20多年来,它依旧保持着稳定的销售出货。但它早已不是20多年前的那台测试机,至今它已经历了Single Density、 Pin Scale、 Smart Scale、EXA Scale四代升级,以满足不断发展的测试需求,同时依然保持其软硬件的用户接口方式。

“我们通常会往前多看5年,芯片技术发展的跨代周期一般是5年。那么就要知道,5年之后的芯片需要什么样的能力?需要测试什么?” 葛樑强调,而要切准方向,就必须和产业链上的企业紧密沟通合作,“很多研发思路和方案其实是和产业链客户相互激荡产生的。”

集微网了解到,爱德万测试制定新产品方向和策略的时候,通常采取一种“通专结合”的方式,也就是通用方案和专用方案相结合的模式。以存储器芯片为例,大部分的存储器芯片都是通用类芯片,通常公司在发布下一代存储测试产品前都会与全球几大存储器的领导厂商做重复沟通,了解他们的需求,以保证下一代产品的公共性,这是“通”的部分;但同时也会考虑各个客户独有的需求以及各家的测试成本,去做一些定制化的方案。但是,通和专之间有时候是会转化的。当几家领导厂商在比较早期的时候就采纳了某一种方案,接下去很可能整个市场也都会遵循这一模式,那么一些专用的定制化方案就可能慢慢也转变成被市场接受的通用方案。

协同开发推出解决方案逐渐成为测试厂商和产业链上下有合作的主流方向。半导体测试机需配套芯片的测试需求,与IC 设计厂商进行联合开发,基于长期的开发合作,测试机厂商也能够进一步积累大量专利与研发经验,与合作的设计公司形成默契合作并逐步建立生态。

因此,早期绑定IC设计厂商进行联合开发的测试机厂商,往往获取订单的概率更大,一旦进入设计公司合作体系,将拥有显著的客户资源壁垒与产业协同壁垒。

后摩尔时代,“测试先行”重要性凸显

但事实上,对于IC厂商而言,与测试厂商在早起就绑定联合开发测试方案,同样越来越关键。以前可能大多数人会认为,芯片测试是客户把产品设计出来以后才能跟测试厂商来谈测试方案,但现在的情况更趋于,当他们有了一个基本的想法雏形时,就最好开始和测试厂商做深入沟通,这样才能确保他们的产品在设计出来或者是设计过程中,就可以建立起相应的测试方案,可以逐步地去验证。

测试的价值最主要体现在上市时间(Time-to-Market)和成品率提升(Yield Improvement)两个方面。检测设备自身不会改变晶圆或芯片的质地,但是经过优化的测试方法,可以在具有高测试覆盖率的前提下,控制成本并降低在最终客户那里的DPPM(Defective Parts Per Million),减少退货率。

而随着产业走入芯片融合时代,工艺和应用的复杂度不断提升之下,半导体产业如果要做出好的产品,需要进一步重视“测试先行”。特别是到了后摩尔时代,在工艺制程没法更进一步提升的情况下,先进封装成为业界重视的一大方向,2.5D封装、3D封装、SiP等这都对晶圆级测试提出了更高的要求,这也进一步凸显测试先行的重要性。

因为,传统来讲,一块芯片通常在晶圆级测试层面测得比较简单,在封装完成后会测试得比较完整。但现在,由于先进封装的复杂度大大提升,里面可能会涉及包括存储、CPU、GPU等一堆芯片,而且都是价格不菲,但凡其中有一颗不好的芯片,就有可能拖累其他所有的芯片。因而在先进封装时代,很多测试需要提前,比如原来在后面的系统级测试可能要提前到晶圆级层面就要做,来保证整体的良率。

同时,随着技术的融合发展,半导体产业价值链之间的边界也趋于模糊化。测试厂商和半导体客户之间更趋于一种“你中有我、我中有你”的状态,需要在很早期的阶段就来共同合作研发测试方案,包括整个测试流程的设计、机台设备的调整等等。

无疑,无论从产品技术或是市场布局两个维度来看,半导体测试的发展历程与全球半导体产业紧密相连。芯片技术越来越复杂,也意味着测试技术还有更多成长发展的空间。

责编: Aki

Carrie

作者

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作者简介

集微网IC频道副主编,关注人工智能、智能制造、智驾及AIoT产业链。

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