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如何通過自主ATE設備提升芯片測試的競爭力?

2021-09-22
來源:半導體行業觀察
關鍵詞: ATE 芯片測試

  關于我國半導體的實力,可以從一組數據中看出。中國進口的芯片總額已經連續6年超過了2000億美元,2018~2020每年中國芯片進口額約3000億美元。2020年中國約有3500億美元的芯片需求,而中國生產了560億美元,自產比例為16%。隨著進口替代態勢的發展,滾雪球的坡道又高又長,中國芯片迎來發展的黃金10年。我們的目標是,到2030年,在約5000億美元的中國需求市場中,自產芯片的規模能達到3500億美元,自產比例達到70%。

  要達到這個宏愿,就需要芯片的所有環節都要齊心協力才行。我們都知道,芯片所涉及的環節眾多,包括設計、制造、封裝測試,每個環節都對最終的芯片至關重要。其中芯片測試是實現從研發到量產的關鍵必備環節,也是我國發展半導體的一個重大突破口。

  國內芯片測試市場格局幾何?

  不得不說,現在幾乎所有芯片的產業鏈的蛋糕都很大,芯片測試也不例外。據Gartner咨詢和法國里昂證券預測綜合得出:2025年,預期全球芯片測試服務市場將達到1094億元,其中,中國芯片測試服務市場將達到550億元,占比50.3%,5年內存在超過250億的巨量增長空間。

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  芯片測試主要包括兩方面的測試,晶圓測試CP和成品測試FT,晶圓測試CP在多芯片封裝場景時尤為重要,可以有效避免因為單顆芯片的不良,造成其他芯片共同“陪葬”;成品測試FT可以有效篩選出封裝過程中損壞的芯片,二者雙管齊下,保障了最終的芯片質量。對于像7nm、5nm、3nm這樣的高端芯片來說,芯片測試更為重要,它能實現從研發到量產的閉環,并指導芯片設計。

  當然不同的測試過程中所用到的設備也有所不同,在晶圓測試階段主要采用測試機和探針臺,成品測試階段則用到測試機和分選機。在整個測試設備行列中,ATE是芯片測試的核心設備,現在尤其是高端芯片非常需要ATE測試設備確保生產。僅芯片ATE自動化測試設備市場總規模就達到了70億美元。

  然而在ATE設備市場格局中,國內企業的話語權卻不容樂觀。美日兩大巨頭泰瑞達和愛德萬測試共占據了90%的市場份額,兩家幾乎包攬了所有知名的半導體企業。

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  國內測試公司起步較美、日測試公司大約晚40年,國產設備在功能上難以做到面面俱到,符合所有使用場景。而國外設備經過幾十年驗證,能夠確保設備穩定可靠,最大范圍地滿足各類芯片的長期測試需求。再加上要研發功能齊全的測試設備,需要投入大量的資本來增加性能,這對國內體量尚不夠大的企業來說可謂是舉步維艱。

  所以現狀就是,國內測試設備企業無論是設備的導入量、公司營收、利潤和員工等方面與美日巨頭相比,都有很大的數量級差距。就拿我國最成熟和領先的ATE測試設備廠商華峰測控來說,下面這組數據可以很直觀的看出國產ATE設備廠商與美日巨頭之間的差距:

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  9月17日下午,由南京市雨花臺區人民政府、中國(南京)軟件谷管理委員會聯合主辦、芯謀市場信息咨詢(上海)有限公司承辦的“芯動長三角 賦能產業發展”中國(南京)軟件谷集成電路產業(上海)招商推介會在上海浦東圓滿舉行。會上摩爾精英董事長兼CEO張競揚發表了關于《自主ATE設備如何提升芯片測試服務競爭力》的主題演講,張競揚分析了ATE設備和測試服務的情況,指出當前的芯片測試模式主要分為兩種,模式一是單純的“設備銷售”模式;模式二是“測試服務”模式。這兩種模式都存在不同的缺點。“設備銷售”模式的特點是出售的設備必須面面俱到滿足所有現有、潛在芯片測試需求,而且價格昂貴,客戶決策和轉換成本加大。缺點是難以快速積累銷售額和裝機量、難以長期持續投入研發;“測試服務”模式的特點是測試廠購買或租賃測試設備,客戶根據當下的具體需求支付服務費,雖然客戶容易決策和轉換,但客戶粘性較低。而其缺點更明顯,那就是無法掌握ATE設備核心技術,大部分利潤被ATE測試設備公司拿走。

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  “現有的測試設備及技術皆建立在原有基礎之上,唯有創新建立新規則,才有機會打破壟斷。”張競揚指出,“要參與全球競爭,就需要匯聚頂尖的國際化技術專家,打造有戰斗力、綜合能力極強的專業測試團隊。”

  ATE測試設備既有格局如何破?

  針對行業所存在的這些痛點,摩爾精英提出了“自主ATE設備+數字化測試服務”模式的探索。張競揚解釋道,通過自己自主研發ATE設備,但設備并不會售賣,而是出租給客戶,堅持“只租不賣”的原則,給客戶提供測試服務。這也是全球最大的測試廠京元電子 KYEC驗證成功的模式,其每年的年銷售額達68億人民幣。

  張競揚表示,這種模式可以解決現有模式的一些困難。一方面,能通過測試服務來促進ATE設備:以創新架構ATE設備技術為核心,通過測試服務支持中國芯片公司加速國產替代,并快速提升ATE設備裝機量,獲得量產數據反饋,優化ATE設備性能;反過來,也能通過ATE設備提升測試服務:在全球招聘最頂級團隊,持續重金投入頂級ATE設備研發,為芯片公司提供數字化測試服務,提升測試服務水平,進而提升芯片質量。

  從方案開發、新品導入NPI到量產維護,摩爾精英都可提供靈活的芯片測試全流程一站式量產服務。張競揚指出,國內的頭部手機廠商以及國外的射頻巨頭都是得益于這種全流程的測試服務模式,從而降低了測試成本。

  摩爾精英提供Turnkey模式,Backstage,Revenue Share這三種靈活的模式:

  測試統包:設計公司把測試業務下單給摩爾精英,由摩爾精英提供生產服務,摩爾精英將以自有的產能或者是其他的合作測試廠來幫客戶做量產。

  后臺模式:設計公司把量產的訂單由封測廠來執行,由摩爾精英提供測試機臺與測試方案,摩爾精英租機臺給封測廠或客戶,產品在封測廠的廠房里進行量產。

  分成模式: 設計公司下單給封測廠,摩爾精英Consign設備進工廠,所得與封測廠分成。

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  摩爾精英還欲搭建一個“DFT設計+測試開發+ATE設備”協同優化一站式ATE測試平臺,此平臺可以貫穿產業鏈的各個環節并持續優化,能最大程度的覆蓋國內外中高端芯片設計公司從研發到量產的測試需求。

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  要實現這個目標不是一朝一夕,也不能從零開始,自己造設備,那么具體實操又該從哪做起呢?

  站在德州儀器VLCT的肩膀上

  上世紀90年代中期,美國德州儀器(TI)的測試部門自主研發了僅為內部使用的通用型芯片自動測試設備VLCT,此后VLCT經歷了三個發展階段,為產品研發和公司發展提供了重要支撐。

  第一階段(2002年前):VLCT在TI內部迅速推廣,逐漸取代了LTX的MegaTest、Teradyne的J750、Eagle等多種ATE機臺的測試產品;第二階段(2003~2008年):VLCT被改進成大規模芯片超低測試成本的儀器,包攬了TI所有先進的大型手機終端芯片的測試;VLCT還具備了測試TI 90%的產品的能力,也幾乎100%包攬了TI的晶圓測試和高產量芯片測試;第三階段(2009年~2012年):TI幾乎所有的新產品測試開發都直接在VLCT上開展,整體裝機量突破3,500臺,VLCT承擔了內部80%以上的測試工作量。

  如今,VLCT測試機已可覆蓋市面上多數種類的SOC芯片/數模混合芯片/射頻芯片測試,而且多數覆蓋率基本都在90%以上,例如放大器、音頻、數據轉換器、接口、邏輯與電壓轉換、微控制器和處理器、電機驅動、電源管理、傳感器、開關和多路復用器等等。

  VLCT測試設備可以說已經經歷了時間和實踐的雙重檢驗。它技術成熟,凝聚了TI近二十年花費數億美金自主研發迭代的通用ATE測試設備成果,裝機量突破3,500臺,承擔TI內部80%以上的測試工作量。其次它的性能可靠,經過了數百億顆芯片的大規模長期量產驗證,滿足中高端芯片測試需求,目前VLCT仍然持續服務TI的在售產品的ATE測試。再者,其通用性強,測試資源配置豐富,可覆蓋市面上多數種類的SOC芯片/數模混合芯片/射頻芯片測試。最后,其性價比高,相比同等產品可降低高達1/2以上測試費用,可以較低配置性能和造價替換主流品牌中高端ATE。

  正因如此,摩爾精英選擇收購德州儀器的VLCT設備,將全球領先的技術引入國內,打造自主ATE測試機臺。據張競揚介紹,采用VLCT測試設備,其在運營管理上都有很大的優勢。最大的表現是,其成本僅為主流ATE測試服務的1/10,以460臺ATE保有量為例,可節省測試運營開支/增加凈利潤1.6億。

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  關于摩爾ATE測試項目,摩爾精英有著十足的信心。因為不止VLCT設備的加入,VLCT的核心研發人員也被摩爾精英收入麾下。據悉,本項目擁有全球50余人頂級測試專家團隊,來自于中國、美國與法國多地。

  摩爾精英自主研發的ATE設備可比肩國際市場中高端主流設備。VLCT1.0版本 T0和T1目前大概能覆蓋行業50%-60%的中端芯片的測試需求,這已是國內相對較先進的SoC測試機臺。目前該研發團隊正在開發下一代的VLCT設備產品,張競揚表示,產品迭代主要是通過新板卡的不斷增加來優化設備的性能,2代產品將覆蓋行業80%的測試需求。

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  新一代自主機臺VLCT2.0的各方面性能優于VLCT1.0及市面的測試設備。VLCT2.0進行了一系列的技術升級,包括新板卡結合自行設計的板級方案、數字方面可實現高達上萬通道、在模擬方面的資源顯著提升,VLCT2.0將射頻模組內嵌,使其應用廣度巨大提升;采用堆積木式模組化方式,可提供彈性大小機型服務;桌面型工程機允許快速調試,可無縫轉移到可擴展量產機上等等。

  總體來看,VLCT2.0可對標全球領先廠家的高階機型,能滿足更廣泛的客戶需求,并且能大幅縮短Time-to-market時間。而且團隊研發實力雄厚,設備自主研發,能大幅度增加機臺速度與測試能力。張競揚認為,VLCT2.0有望占領全球芯片高端測試市場份額,這將是未來20年引領業界潮流的先進通用ATE設備。

  十年測試業務規劃

  關于測試業務,摩爾精英有十年的清晰規劃。據張競揚的介紹,公司預計2021-2023年打造自主的ATE測試設備。掌握核心技術、研發中高端自主ATE設備。采取換道超車模式,結合測試服務來提升自主ATE設備的裝機量。通過量產反饋,來提升自主ATE設備和國產芯片測試的匹配度。

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  2024-2025年,公司將投入高端ATE設備研發。完成國際頂尖測試機臺VLCT2.0的生產并投入使用。縮小和國際頂級ATE的技術差距,進而搶占全球芯片高端測試市場。同時基于自主ATE設備,提升測試服務水平,助力客戶芯片質量提升。

  到2026-2030年,如前文所述,摩爾精英想改變現在測試設備行業的形態,打造數字化的測試平臺。現在設備行業是以設備為中心的,先把設備研發好,客戶再基于設備去測試產品,但實際上客戶要的并不是一個功能特別強大的設備,而是高性價比的測試方案。摩爾精英想以數據和客戶的需求為中心。所以這也是為什么摩爾精英堅持設備“只租不賣”的原則,其優勢就在于租的話可以持續的得到數據的反饋,并能指導下一代設備的研發。

  通過布局全球頂級團隊,掌握頂級ATE設備核心技術,搭建一個“DFT設計+測試開發+ATE設備”協同優化的數字化芯片測試平臺。最終通過“云計算+數智化”,深度融合人工智能技術,來提升測試產業的效率。

  結語

  在中國芯片騰飛前夜,所有環節都不可掉鏈子,眾人拾柴火焰高,而摩爾精英正在通過自主ATE設備的服務來提升國產芯片測試的競爭力。

 





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