半导体第三方检测行业研究报告


发布时间:2020-05-28 12:28 浏览量 408 views
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摘要: 半导体第三方检测服务从属于检验检测认证服务,在“十三五规划”明确提出了 今后五年要加快推进认证认可强国建设,制定了我国检验检测服务行业的发展目标: 预计到 2020 年,我国检验检测认证服务业总收入达到 3,000 亿元左右,比“十二五” 末增长 55%左右。

1、半导体第三方实验室检测市场

随着半导体投资金额越来越巨大、对设计失误的容忍度几乎为 0,因此必须在芯 片进入量产之前、量产中,需要进行严格的验证测试,主要包括功能测试和物理验证 等,通常又称为实验室测试或特性测试,这部分通常由第三方检测实验室为芯片设计 公司提供服务,具体服务范围涵盖晶圆制造、集成电路(IC)设计、集成电路封装、 终端产品等等。

1.1.稳步前进的检验检测服务,新兴领域增长更快

半导体第三方检测服务从属于检验检测认证服务,在“十三五规划”明确提出了 今后五年要加快推进认证认可强国建设,制定了我国检验检测服务行业的发展目标: 预计到 2020 年,我国检验检测认证服务业总收入达到 3,000 亿元左右,比“十二五” 末增长 55%左右。

根据 2019 年 6 月国家市场监管总局发布的《2013-2018 年全国检验检测服务业 统计简报》,截至 2018 年底,我国共有检验检测机构 39472 家,较 2017 年增长 8.66%;2018 年检验检测行业实现营业收入 2810.5 亿元,较 2017 年增长 18.21%。 2013 年至 2018 年,我国检验检测机构数量年均复合增长率为 9.70%;检验检测行业 实现营业收入年均复合增长率为 14.98%。

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值得注意的是,电子电器等新兴领域收入要高于整个行业增速,其中包括电子电 器、机械(含汽车)、材料测试、医学、电力、能源和软件及信息化等。2018 年,新 兴领域共实现收入 457.07 亿元,同比增长 20.45%,增幅较上年提高 3.36 个百分点, 在行业总收入的比重为 16.26%,较上年上升 0.3 个百分点。

相比之下传统领域(包括建筑工程、建筑材料、环境与环保(不包括环境监测)、 食品、机动车检验、农产品林业渔业牧业)2018 年营收增速 9.08%,增速较上年减少 了 2.55 个百分点,占比也由 2016 年的 47.09%降至 42.13%。

1.2.半导体第三方实验室检测——可靠性&失效性分析

1.2.1.可靠性&失效性分析的原理和概念

随着电子元器件应用的不断广泛,对产品的可靠性要求不断提高,因此对电子元 器件在研制、生产和使用过程中的失效分析越来越重要:

1)在电子元器件的研制阶段,可以通过失效分析纠正设计和研制中的错误,缩 短研制周期;

2)在电子元器件的生产、测试和使用阶段,可以通过失效分析查找失效原因、 判定失效的责任方;

3)根据分析结果,生产厂可以改进元器件的设计和工艺,用户可以改进电路板 的设计、改进器件和整机的测试和使用的环境参数或者改变供货商。可以说多由第三 方提供的实验室测试在整个电子元器件的生命周期中都可以发挥着重要作用。

目前第三提供的检测服务通常包括可靠性分析(RA)、失效分析(FA)、晶圆材 料分析(MA)、信号测试、芯片线路修改等,其中比较重要的包括可靠性分析、失效 分析等。

可靠性指器件在规定条件下、规定时间内完成规定功能的能力,描述可靠性的指 标有:可靠度 R、不可靠度 F、失效概率密度、瞬时失效率、寿命等。

在可靠性的基础上,第三方实验室对半导体器件进行失效分析,以确定其中的失 效模式、失效机理及修改模式等,为半导体设计公司等提供检测结果和建议。

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根据不同的分类标准,失效形式有多种类型,如根据电测结果,失效模式有开路、 短路或漏电、参数漂移、功能失效等;根据失效原因可以分为电力过应、静电放电导 致的失效、制造工艺不良导致的失效等。

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根据中国赛宝实验室的数据,在分立器件使用过程中的失效模式,开路、参数漂 移、壳体破碎、短路、漏气的占比分别约为 35%、28%、17%、15%、4%,集成电路使用过程中的失效模式,短路、开路、功能失效、参数漂移占比分别约为 38%、27%、 19%、10%。

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1.2.2.失效性分析的流程

半导体器件失效分析就是通过对失效器件进行进行而各种测试和物理、化学、金 相试验,确定器件失效的形式(失效模式),分析造成器件失效的物理和化学过程 (失效机理),寻找器件失效原因,制定纠正和改进措施。

失效分析的一般程序包括:收集失效现场数据、电测确定失效模式、方案设计、 非破坏性分析、打开封装、镜检、通电激励芯片、失效定位、对失效部位进行物理化 学分析、综合分析确定失效原因,提出纠正措施等。

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失效信息调查与方案设计:信息类别-1)基本信息:工作原理、结构、材料、 工艺、主要失效机理;出于管理需要的信息,包括样品来源、型号、批次、编号、时 间、地点等。2)技术信息:是判断可能的失效机理和失效分析方案设计的重要依据, 包括特定使用应用信息(整机故障现象、异常环境、在整机中的状态、应用电路、二 次筛选盈利、失效历史、失效比例、失效率及其随时间的变化等)、特定生产工艺 (生产工艺条件和方法等)。

非破坏性项目(先实施易行的、低成本的):外观检查、模式确认(测试和试验, 对比分析)、检漏、可动微粒检测(PIND)、 X 光照相、声学扫描、模拟试验。

半破坏性分析(多余物、污染、缺陷、微区电特性和电光热效应)的基本路径: 可动微粒收集、内部气氛检测、开封、不加电的内部检查(光学、SEM、微区成分)、 加电的内部检查(微探针、热像、光发射、电压衬度像、束感生电流像、电子束探针 EBI)。

破坏性分析(进一步的微区电特性、污染、缺陷)的基本路径:内部检查、加 电内部检查(去除钝化层、微探针、聚焦离子束、电子束探针)、剖切面/金相切片 (聚焦离子束、光学、SEM、TEM)。

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1.2.3.失效分析所涉及的设备

目前实验室第三方检测所需的物理分析仪器主要有:

拥有各类仪器设备包括:X 射线检测仪、程控 ESD 试验台、聚焦离子束设备 (FIB)、 扫描电子显微镜(SEM)、集成电路测试验证系统、电子束微探针(EBT)、光 辐射显微镜、红外热像仪、俄歇电子谱仪(AES)、 扫描声学显微镜(SAM)、内部气氛 分析仪(IVA)等分析设备和性能测试设备。

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1.2.4.半导体产业发展三趋势力促第三方实验室检测行业大跨步发展

我们判断未来国内半导体第三方实验室检测市场空间主要来自三方面:

1)垂直分工模式不断成熟的背景下,未来将实验室测试业务外包将成为趋势, Labless 有望成为继 Fabless 后的行业新趋势,从而增加第三方测试需求;

2)国内半导体行业增长带来半导体设计公司和晶圆代工企业的产能扩张,进而 提高对第三方测试的需求;

3)国内第三方检测企业不断替代国外测试厂商。

集成电路设计产业已成为引领中国半导体产业发展的重要环节,根据 2019 年中 国半导体产业产值分布来看,IC 设计业占比将达 40.6%、IC 制造占比约 28.7%、IC 封测占比约 30.7%。

根据中国集成电路设计业 2019 年会上发布的数据,2015-2019 年中国集成电路 设计企业分别为 736、1362、1380、1698、1780 家,年均复合增速达到 24.7%,未来 随着国内半导体产业的不断崛起,预计国内半导体设计企业数量仍将保持较快速增长。 2019 年 IC 设计销售收入达到 3084.9 亿元,同比 2018 年的 2576.9 亿元增长 19.7%, 在全球集成电路设计市场的比重首次超过 10%。

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根据苏轼宜特的预测,国内半导体第三方实验室检测行业未来 3-5 年的市场规模 将达到 50 亿元人民币,同时加上工业用、车用、医疗、军工电子产业上游晶圆制造 到中下游终端产品验证分析的需求,估计 2030 年市场至少达 150-200 亿。

1.3.专业第三方晶圆/成品测试——更加专业化的分工趋势

1.3.1.第三方专业晶圆测试/成品测试

除了实验室测试外,半导体第三方检测还包括针对晶圆测试和芯片测试的专业 测试服务,这部分检测主要包括 WAT 测试、CP 测试、FT 测试等,主要涉及到的设备 包括探针台、测试机和分选机等。

WAT 测试:Wafer Acceptance Test,晶圆可接受度测试,半导体硅片在完成所 有制程工艺之后,针对硅片上的各种测试结构进行的电性测试,测试晶圆的良率

CP 测试:Circuit Probing,晶圆测试,在晶圆制造完成后进行封装前,通过探 针台和测试机配合使用,对晶圆上的芯片进行功能和电参数性能测试,其测试过程为: 探针台将晶圆逐片自动传送至测试位置,芯片的 Pad 点通过探针、专用连接线与测试 机的功能模块进行连接,测试机对芯片施加输入信号、采集输出信号,判断芯片在不 同工作条件下功能和性能的有效性。测试结果通过通信接口传送给探针台,探针台据 此对芯片进行打点标记,形成晶圆的 Map 图。

FT 测试:Final Test,成品测试,芯片完成封装后,通过分选机和测试机配合 使用,对集成电路进行功能和电参数性能测试,保证出厂的每颗集成电路的功能和性 能指标能够达到设计规范要求。其测试过程为:分选机将被检测集成电路逐个自动传 送至测试工位,被检测集成电路的引脚通过测试工位上的金手指、专用连接线与测试 机的功能模块进行连接,测试机对集成电路施加输入信号、采集输出信号,判断集成 电路在不同工作条件下功能和性能的有效性。测试结果通过通信接口传送给分选机, 分选机据此对被测试集成电路进行标记、分选、收料或编带。

CP 测试是对整片 wafer 上的每个 die 测试,而 FT 测试是对封装好的 chip 测试, CP 测试通过之后才会去封装,封装好后的 chip 进行 FT 测,通过之后才可以出厂。

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封装厂客户数量多、产品种类多,其产品线可能封装外形相近、但内核却完全不 同,因此实际上对测试平台和测试设备的要求不尽相同,因此需要大量投资布局测试 设备和相关技术;同时由于订单的波动性,封装厂经常碰到测试机台利用率不足或者 产能无法满足客户需求的情况。

专业的测试厂商能够提供系统级的测试服务、减少重复产能建设,包括功能、性 能、可靠性等全方位的测试,满足多样化的需求;同时从业技术人员的经验和知识面 积累要求更全面,可以通过测试结果的大数据分析提供客户专业的建议,对产品晶圆 制造和封装工艺控制上潜在缺陷作出判断,因此第三方测试的分工形式开始出现并不 断得到市场的认可。

1.3.2.第三方专业晶圆和成品测试市场规模有望不断扩张

国内集成电路大发展已经成为必由之路,中美贸易摩擦背景下,各个环节的进口 替代快速崛起,根据中国半导体行业协会数据,2019 年国内集成电路产业销售额 7562.3 亿元人民币,同比增长 15.8%,其中设计、制造、封测环节的销售额分别为 3063.5、2149.1、2349.7 亿元,分别同比增长 21.6%、18.2%、7.1%,其中设计环节 增速明显快于后两者。

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根据中国台湾工研院最新的统计数据,2019 年台湾 IC 产业封装业产值和测试业 产值分别为 3478 亿新台币和 1519 亿新台币,基本与 2018 年持平,二者比例关系大 约为 2:1。

根据集邦咨询数据,预计 2019 年大陆封测行业产值约为 2240 亿元人民币,如果 按照中国台湾封装与测试占比计算,则大陆测试业产值约为 747 亿元人民币。目前中 国大陆专业的第三方测试企业数量和规模还较小,国内规模较大的企业如利扬芯片 2019 年收入为 2.32 亿元、华岭股份收入为 1.46 亿元。

2.国内市场格局——台资优势仍显著,国内企业已崛起

2.1.第三方实验室检测企业

半导体第三方实验室检测市场起源于中国台湾,目前国内市场中市占率较高的企 业有宜特科技、闳康科技、中国赛宝、胜科纳米等等,其中宜特科技、闳康为中国台 湾企业,2020 年 1 月苏试试验完成收购上海宜特检测(宜特科技的子公司)从而进 入该市场。

同时除了上述企业外,还有部分知名第三方检测企业正积极布局进入半导体领域: 1)根据华测检测公开信息,华测检测半导体事业部为集成电路、元器件、PCBA、 光伏、LED、LCD 液晶领域提供失效、材料、无损、微纳分析,可靠性测试,逆向 工程,工艺分析等服务,并为各领域新材料研发提供专业材料分析平台;2)广电计 量公司公开信息表示公司已开展半导体相关领域包括芯片设计、晶圆制造、封装、元 器件应用等环节的检测服务。

2.1.1.苏试试验——收购上海宜特打通产业链

2020 年 1 月,苏试试验完成对上海宜特的收购,宜特检测拥有国内首家全覆盖 电子产业链上中下游的第三方验证分析实验室,具备集成电路全产业链可靠性试验、 验证分析能力,客户涵盖海思、韦尔等知名企业。苏试试验将借此进入电子元器件、 及具有更高利润率的军工及汽车电子业务等领域,开展 RA(可靠性检测)、FIB(聚 焦离子束,用于芯片线路验证修改)业务。

上海宜特原为中国台湾宜特科技的子公司,后者始创于 1994 年,从 IC 线路除错 修改起家,逐年拓展新服务,包括故障分析、可靠性验证、先进工艺材料分析、化学 分析、车用电子验证平台、高速传输讯号测试与无线讯号验证等,是半导体供应链验 证分析专业伙伴,是国际知名且具有公信力机构 IEC/IECQ、TAF、TUV/NORD、CNAS 认 可的实验室。

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上海宜特检测成立于 2002 年,是国内首家全覆盖电子产品供应链技术服务的专 业芯片检测服务商,服务范围涵盖晶圆装备、晶圆制造、集成电路(IC)设计、集成 电路封装、终端产品等电子全产业链领域,目前在国内服务过的客户包括北方华创、中芯国际、华虹宏力、华为海思、汇顶科技、紫光展锐、长电科技、华天科技、通富 微电等 1000 多家客户,平均月服务客户超过 300 家。

上海宜特检测先后获得过华为海思“优选”供应商、高通 5G 模块验证实验室稽 核等称号,自 2014 年起,宜特检测在上海、深圳合计申请了 79 项专利,其中发明专 利 17 项。

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2.1.2.中国赛宝实验室——综合实力强劲

中国赛宝实验室即工业和信息化部电子第五研究所,又名中国电子产品可靠性与 环境试验研究所,始建于 1955 年,是中国最早从事可靠性研究的权威机构,目前拥 有各类试验、分析测试和计量设备仪器 10555 台套。

赛宝实验室可提供从材料到整机设备、从硬件到软件直至复杂大系统的认证计量、 试验检测、分析评价、数据服务、软件评测、信息安全、技术培训、标准信息、工程 监理、节能环保、专用设备和专用软件研发等技术服务。

赛宝实验室的元器件检测中心是中国第一个获得国际认可的国家级的检验机构, 在行政上、经济上都独立于产品制造方和产品使用方的专业从事电子元器件检测、鉴 定和评价的非营利性的第三方检验机构,可以提供电子元器件的 DPA 检测分析、老化 筛选;集成电路的测试验证、老化筛选及可靠性验证;检测技术研究和可靠性试验研 究等等。

赛宝实验室的可靠性研究分析中心(RAC)是中国赛宝实验室的核心技术部门, 主要开展电子产品失效分析、破坏性物理分析、电子制造技术服务、电子产品污染控 制技术项目等,拥有各类仪器设备包括:X 射线检测仪、程控 ESD 试验台、扫描电子 显微镜(SEM)、集成电路测试验证系统、电子束微探针(EBT)、光辐射显微镜、红外 热像仪、扫描声学显微镜(SAM)、内部气氛分析仪(IVA)等大型分析设备和配套的 性能测试、试验评价、失效分析、理化分析等先进的精密仪器设备 500 余台套,其中 大型设备超过 50 台套。

2.1.3.胜科纳米——强势崛起

胜科纳米服务于半导体全产业链(70%)、面板等精密电子行业,目前公司已成为 国内最具规模的内资独立实验室,在中国市场市占率及规模仅次于宜特、闳康等传统 台湾服务商。

胜科纳米的主要客户群体是移动通讯产业链,客户涵盖国内外一线龙头,国内客 户包括京东方、长电科技、三安光电、中芯国际等,国际客户目前已覆盖苹果及苹果 供应链上的生产商,包括全球最大的半导体设备商应用材料公司 AppliedMaterials、 世界上最大的无线生产半导体公司之一 Broadcom(博通)、全球无线运营巨头 Qualcomm(高通)、老牌半导体供应商 ST(意法)、全球知名光通信器件产品供应商 Finisar、光学元件生产巨头 Lumentum 等世界级客户。

2.1.4.中国台湾闳康科技——市占率领先

闳康科技是涵盖电子、电机、材料分析实验室的技术服务公司,服务范畴涵盖了 电子产品设计阶段的快速除错与实体验证,以及微、奈米产品元件故障区域的精准定 位、结构观察、材料成分等各种静态、动态测试分析;制程开发、制程整合、基础学 术研究、品质管制等等。

2.2.专业第三方封装测试企业

半导体后道测试进入壁垒相对较低,但目前中国大陆专业芯片测试服务商仍较少, 尤其是具有一定规模的企业,与设计、制造、封装等其他环节的蓬勃发展现状极为不 符,目前国内主要从事企业有京元科技、华润赛美科、利扬芯片、华岭股份、北京确 安等。

2.2.1.中国台湾京元电子——全球最大的专业测试厂

中国台湾京元电子集团成立于 1987 年 5 月,主要从事半导体产品的封装测试业 务,收入规模世界排名第二,是全球最大的专业测试厂,在中国大陆、北美、日本、 新加坡等多地为客户提供服务,测试服务项目报告晶圆测试、IC 成品测试、封装及 其他项目。

2.2.2.华润赛美科微电子——华润微电子旗下子公司

华润赛美科微电子(深圳)有限公司成立于 2000 年 6 月,是华润微电子旗下一家 从事数字与模拟产品的测试及后工序服务(晶园切割、挑粒及 IC 封装)的专业厂家, 目前为华南地区规模大的专业代工测试公司,拥有数千平方米的万级洁净厂房,员工 400 多人,拥有 400 多台自美国、日本、韩国等地引进的先进测试设备,产品与服务 涵盖各种半导体产品,为客户提供各种集成电路从中测——封装——成测的一体化服 务。

公司已获得 16 项国家专利,具有自主知识产权,集成电路测试、封装开发能力 在国内处于领先水平,拥有稳定的战略合作客户,包括中颖、比亚迪、国名技术、清 华同方,松翰,致新等知名的 IC 设计公司。

2.2.3.利扬芯片——专业半导体后端代工服务商

利扬芯片是国内知名的独立第三方集成电路测试服务商,主营业务包括集成电路 测试方案开发、12 英寸及 8 英寸等晶圆测试服务、芯片成品测试服务以及与集成电 路测试相关的配套服务,4 月 17 日,上交所正式受理了广东利扬芯片测试股份有限 公司科创板上市申请。

2.2.4.华岭股份——国内领先的集成电路专业测试企业

华岭股份系 2001 年复旦大学下属上海复旦微电子集团股份有限公司与 7 名自然 人合资设立,至 2019 年 6 月末上海复旦仍持有公司 50.29%的股份。

华岭股份是国内集成电路专业测试领先企业,建立了千级、百级、十级各种标准 的净化测试环境,拥有国内领先的 12 英寸 28nm 及以下先进工艺集成电路测试生产线 和 MEMS 测试平台,装备了 200 多台套国际先进的测试技术研发和分析系统,服务内 容包括测试技术研究、测试软硬件设计、测试方案制定、新产品测试验证分析、可靠 性试验、产业化测试等多元化服务,已服务包括国内集成电路设计前 5 大公司等 300 多家国内外行业用户。

近年公司承担和完成了 10 多项国家科技重大专项、国家科技支撑计划项目和上 海市重点研发项目,为国家科技重大专项、重大工程、重点项目、国防预研项目等13 家单位 100 多个芯片产品提供了测试技术支撑及服务。测试产品涵盖国产 X86CPU、 北斗卫星导航、4G 智能移动通信芯片、高端 SoC 芯片、高性能 FPGA 芯片、国产金融 IC 卡、汽车电子、物联网器件等高端集成电路的测试技术开发及产业化应用。


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