第一节 行业界定
一、集成电路检测检测行业定义及分类
集成电路检测检测是一种在集成电路检测生产后期对产品质量、封装、故障率、良品率实施的多种综合检测方式和方法,以满足客户及市场的需求与要求。集成电路检测设计之初,就可能存在缺陷,需要在后续测试中逐步发现产品故障点和故障率,以此逐步完善产品甚至行业的综合技术水准,以提升整个产业链的相关技术革新。
随着芯片集成度的越来越高,如今的IC测试面临着前所未有的挑战:测试时间越来越长,百万门级的SoC测试可能需要几个月甚至更长的时间;
测试矢量的数目越来越多,覆盖率却难以提高,人们不知道究竟要用多少测试量才能覆盖到所有的器件;
测试设备的使用成本越来越高,直接影响到芯片的成本。
一、测试的概念和原理
集成电路检测(IC)测试是IC产业链中重要的一环,而且是不可或缺的一环,它贯穿于从产品设计开始到完成加工的全过程。目前所指的测试通常是指芯片流片后的测试,定义为对被测电路施加已知的测试矢量,观察其输出结果,并与已知正确输出结果进行比较而判断芯片功能、性能、结构好坏的过程。图1说明了测试原理,就其概念而言,测试包含了三方面的内容:已知的测试矢量、确定的电路结构和已知正确的输出结果。
图表:测试流程图
资料来源:来自网络公开资料整理
二、测试及测试矢量的分类
1.按测试目的分类
根据测试的目的不同,可以把集成电路检测测试分为4种类型。
(1)验证测试(VerificationTesting,也称作DesignValidation)
当一款新的芯片第一次被设计并生产出来,首先要接受验证测试。在这一阶段,将会进行功能测试,以及全面的AC、DC参数的测试。通过验证测试,可以诊断和修改设计错误,为最终规范(产品手册)测量出芯片的各种电气参数,并开发出测试流程。
(2)生产测试(ManufacturingTesting)
当芯片的设计方案通过了验证测试,进入量产阶段之后,将利用前一阶段调试好的流程进行生产测试。在这一阶段,测试的目的就是明确做出被测芯片是否通过测试的判决。由于每一颗芯片都要进行生产测试,所以测试成本是这一阶段的首要问题。从这一角度出发,生产测试通常所采用的测试向量集不会包含过多的功能向量,但是必须有足够高的模型化故障的覆盖率。
(3)可靠性测试(ReliabilityTesting)
通过生产测试的每一颗芯片并不完全相同,最典型的例子就是同一型号产品的使用寿命不尽相同。可靠性测试就是要保证产品的可靠性,通过调高供电电压、延长测试时间、提高温度等方式,将不合格的产品(如会很快失效的产品)淘汰出来。
(4)接受测试(AcceptanceTesting)
当芯片送到用户手中,用户将进行再一次的测试。例如,系统集成商在组装系统之前,会对买回的各个部件进行此项测试。
2.按测试方式的分类
根据测试方式的不同,测试矢量也可以分为3类。
(1)穷举测试矢量(ExhaustiveVector)
穷举测试矢量是指所有可能的输入矢量。该测试矢量的特点是覆盖率高,可以达到100%,但是其数目惊人,对于具有n个输入端口的芯片来说,需要2n个测试矢量来覆盖其所有的可能出现的状态。例如,如果要测试74181ALU,其有14个输入端口,就需要214=16384个测试矢量,对于一个有38个输入端口的16位的ALU来说,以10MHz的速度运行完所有的测试矢量需要7.64个小时,显然,这样的测试对于量产的芯片是不可取的。
(2)功能测试矢量(FunctionalVector)
功能测试矢量主要应用于验证测试中,目的是验证各个器件的功能是否正确。其需要的矢量数目大大低于穷举测试,以74181ALU为例,只需要448个测试矢量,但是目前没有算法去计算矢量是否覆盖了芯片的所有功能。
(3)结构测试矢量(StructuralVector)
这是一种基于故障模型的测试矢量,它的最大好处是可以利用电子设计自动化(EDA)工具自动对电路产生测试向量,并且能够有效地评估测试效果。74181ALU只需要47个测试矢量。这类测试矢量的缺点是有时候工具无法检测所有的故障类型。
三、自动测试设备与IC测试有关的另外一个重要概念就是自动测试设备(ATE,AutomaticTestEquipment)。使用ATE可以自动完成测试矢量的输入和核对输出的工作,大大提高了测试速度,但是目前其仍旧面临不小的挑战。该挑战主要来自于两方面。首先是不同芯片对于同种测试设备的需求。在一般情况下,4~5个芯片需要用同一个测试设备进行测试,测试时间只有一批一批的安排。每种设计都有自己的测试矢量和测试环境,因此改变被测芯片时,需要重新设置测试设备和更新测试矢量。其次是巨大测试矢量对于测试设备本身性能的要求。目前,百万门级SoC的测试矢量规模非常大,可能达到数万个,把这些测试矢量读进测试设备并初始化需要相当长的时间。解决这一方法的途径是开发具有大容量矢量存储器的测试矢量加载器。例如,Advantest的W4322的高速测试矢量加载服务器,可以提供72GB的存储空间,可以缩短80%的矢量装载时间。
四、可测性的概念
可测性是现在经常使用,却经常被理解错的一个词。其框架式的定义是,可测性是在一定的时间和财力限制下,生成、评价、运行测试,以满足一系列的测试对象(例如,故障覆盖率、测试时间等)。对一些具体的集成电路检测来说,对该定义的解释由于使用工具和已有的技术水平的不同而不同。目前工业界使用的一个范围比较窄的定义是,可测性是能够测试检验出存在于设计产品中的各种制造缺陷的程度。1.可测性设计(DFT,DesignForTestability)所谓可测性设计是指设计人员在设计系统和电路的同时,考虑到测试的要求,通过增加一定的硬件开销,获得最大可测性的设计过程。简单来说,可测性设计即是指为了达到故障检测目的所做的辅助性设计,这种设计为基于故障模型的结构测试服务,用来检测生产故障。目前,主要的可测性设计方法有扫描通路测试、内建自测试和边界扫描测试等。
在传统测试方法中,设计人员的职责止于验证阶段,一旦设计人员认定其设计满足包括时序、功耗、面积在内的各项指标,其工作即告结束。此后,测试人员接过接力棒,开始开发合适的测试程序和足够的测试图形,用来查找出隐藏的设计和制造错误。但是,在其工作期间很少了解设计人员的设计意图,因此,测试人员必须将大量宝贵的时间花在梳理设计细节上,而且测试开发人员必须等到测试程序和测试模型经过验证和调试之后才能知道早先的努力是否有效。沿用传统测试方法,测试人员别无选择,只能等待流片完成和允许他使用昂贵的自动测试设备(ATE)。这就导致了整个设计-测试过程周期拉大,充斥着延误和效率低下的沟通。
图表:传统的设计测试流程

资料来源:来自网络公开资料整理
图表:现在的设计测试流程

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2.可控制性和可观测性
可控制性(Controllability)和可观测性(Observability)是可测性设计中的重要概念。可控制性表示通过电路初始化输入端控制电路内部节点逻辑状态的难易程度,如果电路内部节点可被驱动为任何值,则称该节点是可控的。可观察性表示通过控制输入变量,将电路内部节点的故障传播到输出端以便对其进行观察的难易程度。如果电路内部节点的取值可以传播到电路的输出端,且其值是预知的,则称该节点是可观察的。
所谓集成电路检测的可控制性可以理解为将该信号设置成0或者1的难度。如图4所示,对于与门G3输入端口A的固定为逻辑值1的故障,可以通过在外围端口B、C、D、E施加矢量0011来检测,因此认为该节点是可控制的。
自20世纪80年代以来,规模较大的半导体生产商就开始利用DFT技术来改善测试成本,降低测试复杂度。如今,前端设计人员都能清楚地认识到只要使用恰当的工具和方法,在设计的最初阶段就对测试略加考虑,会在将来受益匪浅,见图3。DFT技术与现代的EDA/ATE技术紧密地联系在一起,大幅降低了测试对ATE资源的要求,便于集成电路检测产品的质量控制,提高产品的可制造性,降低产品的测试成本,缩短产品的制造周期。
图表:可控制性举例

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可观测性是指观察这个信号所产生故障的难度。如图5所示,G3输入端口A的固定为逻辑值1的故障可以通过施加0向量而传输到外围端口Y,因此认为其为可观测的。
图表:可观测性举例

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二、集成电路检测检测行业经济特性
1、随着工艺节点的演进,WAT测试的重要性突显随着先进工艺节点的演进,集成电路检测的制造工艺也愈加复杂,由于集成电路检测制造工序较多,每一工序下的工艺都对最终产品的成品率均有所影响,因此晶圆厂对于先进制程下每一步工序的成品率提升有着迫切需求。制造程序的增加,工艺改进也提出了更高的要求,因此对晶圆制造过程的监控也变得更为重要,通过WAT测试,晶圆厂的工艺工程师能够更好的定位工艺产生问题的环节,从而精准的改善具体工艺,实现产品成品率的提升。
2、先进工艺下,测试数据规模大幅提升先进工艺下,由于集成电路检测器件密度与复杂度快速提升,因此需要测试的环节与对象亦有所增加,测试数据规模的快速提升对测试硬件及控制软件亦提出了挑战。在传统的硬件架构下,测试机的信号采集、信号处理及记录的速度往往难以满足先进工艺下的测试数据吞吐量,因此需要对测试机的硬件架构进行调整,并实现硬件架构与控制软件的协同,从而提升检测效率。
3、测试与设计方案的协同优化
先进工艺下,随着测试样本类型及生产工艺的复杂化、多样化,测试需求快速增加,因此仅提升测试机的测试速度对整体测试效率的提升有限。工程师可以利用BIST技术,将被测模块的设计方案与测试机的测试方法进行协同优化,将一部分测试需求放在设计当中,通过设计与测试的结合,大幅提升测试效率。
4、本土化服务的市场趋势突显对于集成电路检测测试设备而言,测试精度是最为核心的指标之一。然而测试精度除受到设备硬件的精度影响外,还受到设备后期安装调试的影响。因此对于下游客户而言,想要获得较为准确的测试结果,除了高精度的硬件设备外,还需要供应商具有优质的服务态度与快速的服务响应能力,因此,测试设备行业本土化服务的市场趋势突显。
三、集成电路检测检测产业链模型介绍及集成电路检测检测产业链图分析
1、集成电路检测测试行业的重要性分析从产业链的环节来看,集成电路检测测试主要包括晶圆测试和芯片成品测试,两者在产业链的位置如下:
图表:集成电路检测测试在产业链中的位置

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集成电路检测测试在集成电路检测产业链中有着举足轻重的作用,集成电路检测产品开发的成功与失败、产品生产的合格与不合格、产品应用的优秀与不良均需要验证与测试。
晶圆测试可以在芯片封装前把坏的芯片拣选出来,以减少封装和后续测试的成本,同时统计出晶圆上的芯片合格率、不合格芯片的确切位置和各类形式的良率等,用于指导芯片设计和晶圆制造的工艺改进。
芯片成品测试是在芯片封装后按照测试规范对电路成品进行全面的电路性能检测,目的是挑选出合格的成品芯片,保障芯片在任何环境下都可以维持设计规格书上所预期的功能及性能,避免将不合格的芯片交付给下游用户。同时,芯片成品测试环节的数据可以用于指导封装环节的工艺改进。
总之,晶圆测试和芯片成品测试在确保芯片良率、控制成本、指导芯片设计和工艺改进等方面起着至关重要的作用。
2、集成电路检测测试行业市场规模及前景空间
集成电路检测测试成本约占设计营收的6%-8%,假设取中值7%,结合中国半导体行业协会关于我国芯片设计业务的营收数据测算,2019年我国集成电路检测测试市场规模为214亿元,同比增长22%,2020年我国集成电路检测测试市场规模为264亿元,同比增长23%。2021年中国我国的测试服务市场规模为300亿元,全球的市场规模为892亿元。2025年,预期全球测试服务市场将达到1094亿元,其中,中国测试服务市场将达到550亿元,占比50.3%,5年内存在超过250亿元的巨量增长空间。
3、行业发展面临的机遇及前景预测
(1)集成电路检测产业得到了国家政策的大力鼓励和支持
作为关系国民经济和社会发展全局的基础性、先导性和战略性产业,集成电路检测行业近年来得到了国家政策的大力鼓励和支持。
从2000年出台的《鼓励软件产业和集成电路检测产业发展若干政策》开始,国家颁布了多项支持集成电路检测行业发展的产业政策及措施,例如《国务院关于印发进一步鼓励软件产业和集成电路检测产业发展若干政策的通知》、《集成电路检测产业“十三五”发展规划》及《新时期促进集成电路检测产业和软件产业高质量发展的若干政策》等,这些优惠政策涉及投融资、税收和进出口等各个领域,为集成电路检测企业创造了有利的发展环境。
2020年8月4日,国务院发布《关于新时期促进集成电路检测产业和软件产业高质量发展若干政策的通知》,多维度政策加大对本土集成电路检测产业的支持,构建新型举国体制推动集成电路检测产业高质量发展。
(2)芯片设计业和晶圆制造业市场规模的扩大带动测试需求扩大
芯片设计公司是测试服务的最主要买方,2018年-2020年我国芯片设计行业的收入增速分别为21%、22%和23%,保持了较高的增速,芯片设计行业的快速发展带动了测试需求的快速增长。
在晶圆制造业方面,中兴与华为断供事件促使我国加快了集成电路检测制造业的国产化进程,国内晶圆建厂潮愈演愈烈,晶圆制造产线规模加速扩张。
2020年全球将有18座晶圆厂开工建设,项目总投资达到500亿美元,其中中国新建晶圆厂达到11座,总投资达240亿美元。随着晶圆制造业市场规模的扩大,为之配套服务的晶圆测试业务也将迎来发展的热潮。
(3)中国大陆封装行业在全球具有较强的竞争力,为测试行业带来更多的全球客户
我国封装行业起步早、发展快,通过多年的积累和兼并收购已经涌现出一批具备国际竞争力的龙头企业。2020年全球封测产业十强中大陆企业占据3席,分别为长电科技、通富微电与华天科技,三家企业在全球的规模占比达21%,且在先进封装产业化能力方面不输国际一流厂商。封装作为国内半导体产业最为成熟的领域,越来越多的全球客户选择将封装业务外包给中国大陆厂商。由于测试与封装环节的天然具有协同性,中国大陆封装行业在全球具有较强的竞争力,为测试行业带来了更多的全球客户。
(4)芯片的高端化和封装制程的先进化提升了测试费用占比
随着物联网、云计算、人工智能、新能源汽车等领域新型应用终端的涌现,对低功耗、低成本、小尺寸芯片的需求大大上升,高性能SoC以及采用SiP封装工艺的芯片逐渐成为市场主流。SiP工艺中封装芯片数量较多,找出个别不良芯片的难度提高,这就要求在晶圆阶段进行全面测试,避免不良晶片流入封装环节。除此之外,各芯片间也存在相容性问题,需要通过系统级测试检测其可靠性。
集成电路检测测试成本约占设计营收的6%-8%,但是随着芯片设计的高端化和SoC芯片成为主流,以及SiP封装工艺等先进封装制程的普及,单颗芯片的价值量越来越高,为之配套的测试服务的重要性越发突出,测试难度大幅上升,测试时间也越来越长,从而提高了测试费用在总成本中的比例。
第二节 集成电路检测检测行业发展成熟度
一、集成电路检测检测行业发展周期分析
集成电路检测检测行业的生命周期指行业从出现到完全退出社会经济活动所经历的时间。行业的生命发展周期主要包括四个发展阶段:幼稚期,成长期,成熟期,衰退期。如图所示:
图表:行业生命周期理论

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本土测试设备企业进入成长期
集成电路检测产业链开始向专业化分工的垂直分工模式发展。作为半导体行业的核心,集成电路检测在近半个世纪里获得快速发展。早期的集成电路检测企业以IDM(IntegratedDeviceManufacturing)模式为主,IDM模式也称为垂直集成模式,即IC制造商(IDM)自行设计、并将自行生产加工、封装、测试后的成品芯片销售。随着加工技术的日益成熟和标准化程度的不断提高,集成电路检测产业链开始向专业化分工方向发展,逐步形成了独立的芯片
设计企业(Fabless)、晶圆制造代工企业(Foundry)、封装测试企业(Package&TestingHouse),并形成了新的产业模式——垂直分工模式。
在垂直分工模式下,设计、制造和封装测试分离成集成电路检测产业链中的独立一环。据国际半导体协会统计,从全球产业链分布而言,2015年芯片设计、晶圆制造和封装测试的收入约占产业链整体销售收入的27%、51%和22%。目前虽然全球半导体前20大厂商中大部分仍为IDM厂商,如三星(Samsung)、英特尔(Intel)、德州仪器(TI)、东芝(Toshiba)、
意法半导体(ST)等,但由于近年来半导体技术研发成本以及晶圆生产线投资成本呈指数级上扬,更多的IDM厂商开始采用轻晶圆制造(Fab-lite)模式,即将晶圆委托晶圆制造代工商制造,甚至直接变成独立的芯片设计企业,如超微(AMD)、恩智浦(NXP)和瑞萨(Renesas)等,垂直分工已成为半导体行业经营模式的发展方向。
图表:代表企业及主要特征
类型 | 代表企业 | 主要特征 |
IDM (Integrated Device Manufacturing) | 英特尔、三星 | IDM公司是指从芯片设计到晶固制造 再到封装测试投入市场等所有的项目都由自己一手包办 |
Fabless | 高通、AMD | Fabless公司是指公司只负责设计, 而并没有自己的半导体Fab(制造工厂) |
Foundry | 台积电 | 这类公司自身不设计芯片,而是通过与Fabless合作, 为其代理加工制造晶圆 |
类型 代表企业 主要特征
IDM (Integrated Device Manufacturing) 英特尔、三星 IDM公司是指从芯片设计到晶固制造
再到封装测试投入市场等所有的项目都由自己一手包办
Fabless 高通、AMD Fabless公司是指公司只负责设计,
而并没有自己的半导体Fab(制造工厂)
Foundry 台积电 这类公司自身不设计芯片,而是通过与Fabless合作,
为其代理加工制造晶圆
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行业的生命周期曲线忽略了具体的产品型号、质量、规格等差异,仅仅从整个行业的角度考虑问题。行业生命周期可以从成熟期划为成熟前期和成熟后期。在成熟前期,几乎所有行业都具有类似S形的生长曲线,而在成熟后期则大致分为两种类型:第一种类型是行业长期处于成熟期,从而形成稳定型的行业,如图中右上方的曲线1;第二种类型是行业较快的 衰退期,从而形成迅速衰退的行业,如图中的曲线2。行业生命周期是一种定性的理论,行业生命周期曲线是一条近似的假设曲线。
识别行业生命周期所处阶段的主要指标有:市场增长率、需求增长率、产品品种、竞争者数量、进入壁垒及退出壁垒、技术变革、用户购买行为等。下面分别介绍生命周期各阶段的特征。
1、幼稚期:这一时期的市场增长率较高,需求增长较快,技术变动较大,行业中的用户主要致力于开辟新用户、占领市场,但此时技术上有很大的不确定性,在产品、市场、服务等策略上有很大的余地,对行业特点、行业竞争状况、用户特点等方面的信息掌握不多,企业进入壁垒较低。
2、成长期:这一时期的市场增长率很高,需求高速增长,技术渐趋定型,行业特点、行业竞争状况及用户特点已比较明朗,企业进入壁垒提高,产品品种及竞争者数量增多。
3、成熟期:这一时期的市场增长率不高,需求增长率不高,技术上已经成熟,行业特点、行业竞争状况及用户特点非常清楚和稳定,买方市场形成,行业盈利能力下降,新产品和产品的新用途开发更为困难,行业进入壁垒很高。
4、衰退期:这一时期的市场增长率下降,需求下降,产品品种及竞争者数目减少。从衰退的原因来看,可能有四种类型的衰退,它们分别是:
(1)资源型衰退,即由于生产所依赖的资源的枯竭所导致的衰退。
(2)效率型衰退,即由于效率低下的比较劣势而引起的行业衰退。
(3)收入低弹性衰退。即因需求--收入弹性较低而衰退的行业。
(4)聚集过度性衰退。即因经济过度聚集的弊端所引起的行业衰退。
行业生命周期在运用上有一定的局限性,因为生命周期曲线是一条经过抽象化了的典型曲线,各行业按照实际销售量绘制出来的曲线远不是这样光滑规则,因此,有时要确定行业发展处于哪一阶段是困难的,识别不当,容易导致战略上的失误。而影响销售量变化的因素很多,关系复杂,整个经济中的周期性变化与某个行业的演变也不易区分开来,再者,有些行业的演变是由集中到分散,有的行业由分散到集中,无法用一个战略模式与之对应,因此,应将行业生命周期分析法与其他方法结合起来使用,才不至于陷入分析的片面性。
二、与国外市场成熟度对比
全球集成电路检测行业概况
(1)新兴领域需求提升,持续开拓市场空间
随着全球物联网产业的不断发展,在未来几年,物联网将成为一个极具突破性发展的巨大市场。而对于中国物联网市场发展而言,2016年,国家“互联网+”、“中国制造2025”等政策的逐步落实,以及智能农业、智慧交通、智慧医疗、智能工业等行业的联动发展,都将成为物联网市场规模提速的重要推动力。预计在未来几年,如高精准度的数据转换芯片、高速的射频传输芯片等集成电路检测产品都将被更为广泛地应用在各类智能移动终端、工业机器人、新能源汽车、可穿戴设备等新兴产品中。由于这些新兴领域的电子产品在全球都处于初期发展及应用阶段,在国家政策的扶持以及市场需求的双重带动下实现产品自主化的可能性较高,如果能够把握住市场发展机遇,未来这些新兴领域不但将成为集成电路检测市场新的增长蓝海,也将为国内集成电路检测产业带来前所未有的发展契机。
(2)集成电路检测行业将向发展中国家进行迁移
在区域方面,从全球范围来看,集成电路检测产业正在发生着第三次大转移,即从美国、日本及欧洲等发达国家向中国大陆、东南亚等发展中国家和地区转移。近几年,在下游通讯、消费电子、汽车电子等电子产品需求拉动下,以中国为首的发展中国家集成电路检测市场需求持续快速增加,已经成为全球最具影响力的市场之一。在此带动下,发展中国家集成电路检测产业快速发展,整体实力显着提升。未来伴随着制造业智能化升级浪潮,高端芯片需求将持续增长,将进一步刺激发展中国家集成电路检测行业的发展和产业迁移进程。
(3)资本运作加速将是未来大陆集成电路检测行业的主要趋势之一
从并购趋势上看,在近几年的收并购案例中,参与方几乎都是半导体业内的一线厂商,这在一定程度上反映出整合重组已经成为半导体企业寻求业务突破的重要发展策略。在此背景下,行业内的知名企业及行业龙头们纷纷加快了资本运作的步伐,希望通过并购整合的方式,加速产业布局或提升企业的技术及业务水平,增强市场竞争力,进一步巩固自身在市场中的领先地位。因此,从规模经济以及吸收技术与人才的角度来看,我国大陆集成电路检测行业不可避免地要面临新一轮整合,这对行业内公司既是机遇也是挑战,如何增强自身技术实力、突破资金瓶颈、壮大人才队伍成为每家企业都要面对的重要问题。
第三节 集成电路检测检测行业相关产业动态
测试是集成电路检测生产制造中的重要环节,而测试设备也是集成电路检测产线中不可或缺的组成部分。根据测试类型的不同,集成电路检测测试设备可以分为物理测试设备及电性测试设备,其中物理测试设备包括椭偏仪、扫描电子显微镜等设备,而电性检测设备则包括探针台、测试机及拣选器等。电性测试设备中,探针台与拣选器分别搭配测试机实现对晶圆级产品与芯片级产品的测试。
根据测试环节的不同,电性测试又可以分为WAT测试、CP测试及FT测试,其中WAT测试属于电学性能测试,其测试精度较高,测试结果能够体现被测样本的电学性能表现;而CP测试与FT测试又通常为功能测试,测试结果一般仅能体现被测样本的功能是否完整,而无法具体得知被测样本的电学性能表现。相较而言,WAT测试设备的技术含量、单体价值量等均高于用于功能测试的测试设备。
在测试设备中,测试机用于检测芯片功能和性能,技术含量相对较高。并且随着客户对于集成电路检测测试在测试功能模块、测试精度、响应速度、应用程序定制化、平台可延展性以及测试数据的存储、采集和分析等方面提出愈来愈高的要求,测试机的技术壁垒也在不断提升。