芯片測試是確保產品良率和成本控制的重要環節,主要目的是保證芯片在惡劣環境下能完全實現設計規格書所規定的功能及性能指標,以此判斷芯片性能是否符合標準,是否可以進入市場。

隨着產品進入高性能CPU、GPU、NPU、DSP和SoC時代,芯片內部集成的模塊越來越多,生產製造過程中的失效模式也相應增多,芯片測試的重要性凸顯。測試探針就是芯片測試過程中的重要零部件之一。

測試探針通常與測試機、分選機、探針臺配合使用,通過連接測試機來檢測芯片的導通、電流、功能和老化情況等性能指標,篩選出存在設計缺陷和製造缺陷的產品。在大部分半導體測試設備中均屬於關鍵耗材。

隨着芯片生產成本日漸高漲,半導體測試的重要性日漸凸顯,測試探針的需求量也日益增加。

從全球市場來看,根據VLSI Research數據顯示,2019年全球半導體探針市場規模爲11.26億美元,2020年全球半導體探針的銷售規模爲22.06億美元,2021年和2022年的產值分別可達23.68億美元和26.08億美元,增速明顯。

從中國市場來看,根據中經智盛發佈的數據顯示,2016年中國探針市場銷售量爲2.95億支,銷售額爲16.56億元。2020年中國探針市場銷售量爲4.79億支,同比2019年增長14.79%,銷售額爲29.60億元,比2019年增長17.15%。

測試探針市場格局

按照電子系統故障檢測中的“十倍法則”:如果一個芯片的故障沒在芯片測試時發現,那麼在電路板(PCB)級別發現故障的成本就是芯片級的十倍。因此,技術越高,製程越小,對檢測過程中良率的要求就越高。

按應用領域的不同,測試探針市場可細分爲半導體測試探針、PCB測試探針、ICT在線測試探針等類型。

其中,用於半導體測試的探針,製造難度較高,尺寸更小,也有更多的功能性測試要求,幾乎被進口品牌,比如日本廠商YOKOWO、美國廠商ECT、IDI及韓國廠商LEENO等公司壟斷。PCB測試探針和ICT在線測試探針技術難度相對較低,主要應用於基本的可靠性測試要求。中國廠商佈局較多,包括和林微納、中探探針、先得利、儒衆智能等。

衆所周知,封測本是中國在半導體行業中全球市場份額較高的一個環節,但是在小小探針上依舊受到較大的制約,其中原因爲何?

國產測試探針發展受限的原因

從中國市場來看,進口測試探針有先天的優勢。和林微納作爲國產測試探針的頭部企業,其全球市佔率也只有2%左右,造成這一現象的原因有“外因”也有“內因”。

首先,單單是外因就包括兩方面。

一方面,國外測試探針大廠技術實力通常更強且專注於一個或數個領域內的產品,擁有自己的核心客戶。臺易電子社長塗炳超曾表示,一套測試治具需要用到幾十、幾百甚至於上千根測試探針,若是有1根探針出現問題,那整套治具都要報廢。日本、韓國、中國臺灣等地的半導體測試探針廠商是與國外的大型半導體廠商一起成長起來的,有長時間的技術積累,爲很多大型企業提供測試解決方案,是經過市場驗證的產品和團隊,因此,進口測試探針有先天的優勢,在中國市場頗受歡迎。

另一方面,對於中國探針廠商來說,在探針的上游原材料、工藝、設備等領域都存在瓶頸。測試探針一般由針頭、針尾、針管、彈簧四個基本部件經精密儀器鉚壓預壓之後形成,測試探針中的彈簧是測試探針使用壽命的關鍵因素,電鍍處理過的彈簧使用壽命高,不會生鏽,也能提高測試探針的持久性和導電性。因此,電鍍工藝是生產半導體測試探針的主要技術,而頂尖的電鍍工藝被日本廠商所壟斷。業內人士稱,長期以來,在測試探針領域,日本原材料、設備廠商都是與歐美、日本、韓國、中國臺灣等廠商合作,形成了穩定的生態圈,國內供應商難以進入,也就無法獲得供應商的支持。

其次,中國探針市場的相互內耗也制約了國產測試探針公司的發展。上文提到,PCB測試探針和ICT在線測試探針技術難度相對較低,與此同時行業的進入門檻也比較低,最近幾年中國衍生了不少大大小小的測試探針公司。有探針供應商曾表示,中國探針和治具供應商是伴隨着國內消費電子產業鏈成長起來的,僅華東地區探針和治具供應商就超過了20家,導致供應商只能以殺價競爭的方式搶單。在激烈的價格競爭下,國產探針企業盈利水平受到擠壓,盈利能力普遍較弱,難以發展壯大。

在最近幾年,半導體產業鏈國產化需求逐步顯現,國內探針廠商已經開始發力半導體測試探針產品。目前中國的測試探針廠商包括和林微納、中探探針、先得利、儒衆智能、愛默斯拓普聯科大富精工等,其中和林微納的半導體測試探針已經得到了意法半導體、英偉達、亞德諾半導體、英飛凌、安靠等公司的認可。

國產探針市場正迎來新驅動力

中國封測市場火熱,帶動探針需求

隨着科技的迅猛發展,封測市場正迎來一個新的高潮。最近兩年,不少封測廠商募集大量資金進行產線擴產,多個存儲封測項目表現亮眼,例如合肥沛頓存儲項目、惠州佰維存儲項目、太極半導體嘉合勁威存儲封測合作項目、銓天科技智能製造基地、廣西桂芯半導體科技有限公司生產基地以及和恩泰半導體存儲芯片封裝測試等。

除了封測廠的紛紛擴產,不少Fabless廠商也開始自建封測產線,比如唯捷創芯、卓勝微、明微電子格科微新潔能、富滿微、燦瑞科技、豪威、聖邦股份艾爲電子思瑞浦、敏芯股份、南麟電子等20餘家國內半導體企業宣佈,在原有的Fabless模式上自建封測生產線,或是建設測試生產線。

伴隨着國內測試行業的繁榮發展,必將帶動與之配套的上游設備、零部件等環節加速國產化進程,如測試機、探針臺、分選機、探針卡、負載板、治具等都逐步走上自主可控的道路。

先進封裝是探針市場的新增量

以Chiplet技術爲首的先進封裝市場佔有率的提升也可以進一步拉大對測試探針的使用量。

Chiplet將一顆大的SoC芯片拆分成多個芯粒,相較於測試完整芯片難度更大,爲保證最後芯片的良率,需要保證每個Chiplet的die都有效,因此將會對每一個die進行全檢,探針等測試設備的使用量將大幅增加。

此外,隨着物聯網、人工智能、新能源汽車等領域新型應用終端的湧現,高性能SoC以及採用SiP封裝工藝的芯片逐漸成爲市場主流。高端SoC的結構複雜、SiP工藝在封裝環節整合了各種不同的芯片,這均給芯片測試帶來了新的挑戰,同時對測試探針也提出了更高的要求,如更大的可負載電流、更小的接觸阻抗、更快的測算速度等。

別讓小小的零部件限制產能

曾經在一篇文章中看到過這樣一句話,半導體缺產能是因爲產線上缺機臺,而機臺又是因爲缺乏零部件沒辦法生產。半導體的細分行業衆多,任何一個壁壘都有可能成爲阻礙中國半導體進步的原因。

近日,日本經濟產業省公佈了外匯法法令修正案,將先進芯片製造設備等23個品類追加列入出口管理的管制對象,上述修正案在經過2個月的公告期後,將在7月23日實行。這23項包括極紫外(EUV)相關產品的製造設備和三維堆疊存儲元件的蝕刻設備。就計算用邏輯半導體的性能而言,它是製造電路線寬10至14納米(一納米爲十億分之一米)或更小的尖端產品的必備器件。

美國嚴格限制向中國出口用於超級計算機和人工智能(AI)的尖端半導體制造設備。擁有技術的日本和荷蘭也被要求採取類似措施。

中美貿易摩擦的一次次升級也給我們敲響了警鐘,不僅是IC測試環節需要國產化替代,作爲重要配件的測試治具以及測試探針環節同樣需要加快國產化進程。

本文來自微信公衆號“半導體產業縱橫”(ID:ICViews),作者:豐寧,36氪經授權發佈。

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