产业链全覆盖,芯片行业蓄势待发

2019-12-06

芯片,也称集成电路,是20世纪50年代发展起来的一种新型半导体器件,包括芯片制造技术与设计技术,主要体现在加工设备,加工工艺,封装测试,批量生产及设计创新的能力上。20世纪50年代末,德州仪器公司研发人员注意到所有的半导体器件都可以由桂半导体材料制成,所以可以将这些分离式元器件做在同一块半导体衬底上,再将它们连接在一起组成一个完整的电路,从而发明了集成电路。




传统的集成电路(Integrated Circuit,简称 IC)封装采用引线框架作为 IC导通线路与支撑 IC 的载体,连接引脚于导线框架的两旁或四周,如双侧引脚扁平封装(Dual Flat Package,简称 DFP)、四侧引脚扁平封装(Quad Flat Package,简称 QFP)等。随着半导体技术的发展,IC 的特征尺寸不断缩小,集成度不断提高,相应的 IC 封装向着超多引脚、窄节距、超小型化方向发展。20 世纪 90 年代中期,一种以球栅阵列封装(Ball Grid Array,简称 BGA)、芯片尺寸封装(Chip ScalePackage,简称 CSP)为代表的新型 IC 高密度封装形式问世,从而产生了一种封装的必要新载体——IC 载板。


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集成电路是半导体产业的核心,占整个半导体行业规模的 80%以上。半导体产业主要包括集成电路(Integrated Circuit,简称 IC)和分立器件两大类,各分支包含的种类繁多且应用广泛。集成电路应用领域覆盖了几乎所有的电子设备,是计算机、家用电器、数码电子、自动化、通信、航天等诸多产业发展的基础,是现代工业的生命线,也是改造和提升传统产业的核心技术。按其功能、结构的不同,集成电路又可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数模混合集成电路等。集成电路的生产流程可分为设计、制造、封装与测试三个步骤。




集成电路的测试完整贯穿了集成电路三大生产过程,主要包括:1)芯片设计中的设计验证;2)晶圆制造中的晶圆检测;3)封装完成后的成品测试。无论哪个阶段,要测试芯片的各项功能指标必须完成两个步骤,一是将芯片的引脚与测试机的功能模块连接起来,二是要通过测试机对芯片施加输入信号,并检测芯片的输出信号,判断芯片功能和性能指标的有效性。




设计验证环节


设计验证指芯片设计公司分别使用测试机和探针台、测试机和分选机对晶圆样品检测和集成电路封装样品的成品测试,验证样品功能和性能的有效性。


晶圆检测环节


晶圆检测是指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。


成品测试环节


成品测试是指芯片完成封装后,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。


集成电路的检测环节至关重要,是提高芯片制造水平的关键之一。集成电路生产需经过几十步甚至几百步的工艺,其中任何一步的错误都可能是最后导致器件失效的原因,同时版图设计是否合理、产品是否可靠,都需要通过集成电路的功能及参数测试才能验证。


集成电路是信息产业的基础,一直以来占据全球半导体产品超过80%的销售额,被誉为“工业粮食”。涉及计算机、家用电器、数码电子、自动化、电气、通信、交通、医疗、航空航天等领域,在几乎所有的电子设备中都有使用。对于未来社会的发展方向,包括5G、人工智能、物联网、自动驾驶等,集成电路都是必不可少的基础,只有在集成电路的支持下,这些应用才可能得以实现。所以,集成电路产业是国民经济中基础性、关键性和战略性的产业,集成电路产业的强弱是国家综合实力强大与否的重要标志。




集成电路的测试设备主要包括测试机、分选机和探针台等。作为重要的专用设备,集成电路测试设备不仅可判断被测芯片或器件的合格性,还可提供关于设计、制造过程的薄弱环节信息,有助于提高芯片制造水平。其中:

测试机是检测芯片功能和性能的专用设备。测试机对芯片施加输入信号,采集被检测芯片的输出信号与预期值进行比较,判断芯片在不同工作条件下功能和性能的有效性。分选机和探针台是将芯片的引脚与测试机的功能模块连接起来并实现批量自动化测试的专用设备。在设计验证和成品测试环节,测试机需要和分选机配合使用;在晶圆检测环节,测试机需要和探针台配合使用。




集成电路测试设备的技术壁垒较高。集成电路行业集计算机、自动化、通信、精密电子测试和微电子等技术于一身,是技术密集、知识密集的高科技行业,集成电路的可靠性、稳定性和一致性要求较高,对生产设备要求较高。




集成电路测试贯穿了集成电路设计、晶圆制造、封装测试等的核心环节,具体如下:


1)集成电路的设计流程需要芯片验证,即对晶圆样品和集成电路封装样品进行有效性验证;


2)晶圆检测(CP,Circuit Probing):需要使用测试机和探针台;

a)晶圆检测是指在晶圆完成后进行封装前,通过探针台和测试机的配合使用,对晶圆上的裸芯片进行功能和电参数测试;

b)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并采集输出信号,判断芯片功能和性能在不同工作条件下是否达到设计规范要求。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;

cCP测试环节的目的是确保在芯片封装前,尽可能地把无效芯片筛选出来以节约封装费用;


3)成品测试(FT,Final Test):需要使用测试机和分选机。

a)成品测试是指芯片完成封装后,通过分选机和测试机的配合使用,对封装完成后的芯片进行功能和电参数测试。

b)分选机将被测芯片逐个自动传送至测试工位,被测芯片的引脚通过测试工位上的基座、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并采集输出信号,判断芯片功能和性能在不同工作条件下是否达到设计规范要求。测试结果通过通信接口传送给分选机,分选机据此对被测芯片进行标记、分选、收料或编带。

cFT测试环节的目的是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。


从经营模式来看,集成电路企业主要分为IDM(Integrated DeviceManufacturer)和垂直分工模式两种。




IDM 模式即垂直整合制造模式,是指企业除了进行集成电路设计之外,还拥有自己的晶圆厂、封装厂和测试厂,其业务范围涵盖集成电路设计、晶圆制造、封装及测试等全业务环节。由于该模式对企业的资金实力、研发力量、工艺水平、组织管理等要求较高,采用IDM 模式的企业均为技术、资金实力雄厚的全球芯片行业巨头,如Intel(英特尔)、TI(德州仪器)、Samsung(三星半导体)等。


垂直分工模式是指芯片设计、制造、封测由不同的企业分工完成。采用这种模式的芯片设计企业称为Fabless企业,即企业采用无晶圆生产线集成电路设计模式,只进行集成电路的设计和销售,将制造、封装和测试等生产环节分别外包给专业的晶圆制造企业、封装和测试企业来完成。由于无需花费巨额资金建立晶圆生产线,Fabless设计商可以集中资源专注于集成电路的研发设计,具有“资产轻、专业强”的特点。当今国际上大量知名集成电路企业采用Fabless 模式,如高通、AMD、苹果、飞思卡尔、联发科技等。




政策支持对于行业发展具有导向性作用

近十年来,我国政府通过实施国家科技重大专项01/02专项,颁布国家和地方政策,成立产业基金等多种方式大力支持集成电路产业的发展,特别是从2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》颁布实施以来,各地发展集成电路热情高涨,纷纷兴建新工厂。公司于2016年10月通过定增扩股获得国家集成电路产业投资基金一期的资助,而国家大基金第二期的即将启动,也将掀起新一轮的半导体产业热潮。




目前我国是全球最大的半导体市场,根据SIA的统计数据,2018年我国销售额占全球的33.7%,2019年1-4月占全球的33.3%。在国家政策和资金的支持下,我国集成电路产值在近几年有了大幅的增长。根据中国半导体行业协会统计,2018年我国集成电路产业销售额为6532亿元,同比增长20.7%。其中设计业销售额为2519.3亿元,占比为39%,同比增长21.5%;制造业销售额为2193.9亿元,占比为34%,同比增长16.1%;封测业销售额1818.2亿元,占比为28%,同比增长25.6%。2008-2018年十年间集成电路行业产值的年均复合增长率为18%。




尽管我国集成电路产值近年有了大幅增加,但我国集成电路的自给率仍然很低。根据IC Insights的报告,2018年我国集成电路自给率仅15.5%,只比2013年提高了3个百分点,预计到2023年,自给率也只能提高到19.7%。我国要实现集成电路国产替代还需要较长的时间。




集成电路产业高度依赖进口,国产替代市场广阔。尽管我国的集成电路技术正在迅速发展,但因起步较晚与发达国家还存在不小的差距,行业的进出口逆差巨大。2017年全球前十大集成电路设计厂商绝大部分为海外公司,国内企业销售额不到10%,自给率很低。这一方面凸显了国产技术进步的紧迫性,另一方面又体现出国产替代的广阔空间,对国内公司来说既是挑战更是机遇。




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产业链全覆盖,芯片行业蓄势待发
2019-12-06

芯片,也称集成电路,是20世纪50年代发展起来的一种新型半导体器件,包括芯片制造技术与设计技术,主要体现在加工设备,加工工艺,封装测试,批量生产及设计创新的能力上。20世纪50年代末,德州仪器公司研发人员注意到所有的半导体器件都可以由桂半导体材料制成,所以可以将这些分离式元器件做在同一块半导体衬底上,再将它们连接在一起组成一个完整的电路,从而发明了集成电路。




传统的集成电路(Integrated Circuit,简称 IC)封装采用引线框架作为 IC导通线路与支撑 IC 的载体,连接引脚于导线框架的两旁或四周,如双侧引脚扁平封装(Dual Flat Package,简称 DFP)、四侧引脚扁平封装(Quad Flat Package,简称 QFP)等。随着半导体技术的发展,IC 的特征尺寸不断缩小,集成度不断提高,相应的 IC 封装向着超多引脚、窄节距、超小型化方向发展。20 世纪 90 年代中期,一种以球栅阵列封装(Ball Grid Array,简称 BGA)、芯片尺寸封装(Chip ScalePackage,简称 CSP)为代表的新型 IC 高密度封装形式问世,从而产生了一种封装的必要新载体——IC 载板。


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集成电路是半导体产业的核心,占整个半导体行业规模的 80%以上。半导体产业主要包括集成电路(Integrated Circuit,简称 IC)和分立器件两大类,各分支包含的种类繁多且应用广泛。集成电路应用领域覆盖了几乎所有的电子设备,是计算机、家用电器、数码电子、自动化、通信、航天等诸多产业发展的基础,是现代工业的生命线,也是改造和提升传统产业的核心技术。按其功能、结构的不同,集成电路又可以分为模拟集成电路、数字集成电路和数模混合集成电路等。集成电路的生产流程可分为设计、制造、封装与测试三个步骤。




集成电路的测试完整贯穿了集成电路三大生产过程,主要包括:1)芯片设计中的设计验证;2)晶圆制造中的晶圆检测;3)封装完成后的成品测试。无论哪个阶段,要测试芯片的各项功能指标必须完成两个步骤,一是将芯片的引脚与测试机的功能模块连接起来,二是要通过测试机对芯片施加输入信号,并检测芯片的输出信号,判断芯片功能和性能指标的有效性。




设计验证环节


设计验证指芯片设计公司分别使用测试机和探针台、测试机和分选机对晶圆样品检测和集成电路封装样品的成品测试,验证样品功能和性能的有效性。


晶圆检测环节


晶圆检测是指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。


成品测试环节


成品测试是指芯片完成封装后,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。


集成电路的检测环节至关重要,是提高芯片制造水平的关键之一。集成电路生产需经过几十步甚至几百步的工艺,其中任何一步的错误都可能是最后导致器件失效的原因,同时版图设计是否合理、产品是否可靠,都需要通过集成电路的功能及参数测试才能验证。


集成电路是信息产业的基础,一直以来占据全球半导体产品超过80%的销售额,被誉为“工业粮食”。涉及计算机、家用电器、数码电子、自动化、电气、通信、交通、医疗、航空航天等领域,在几乎所有的电子设备中都有使用。对于未来社会的发展方向,包括5G、人工智能、物联网、自动驾驶等,集成电路都是必不可少的基础,只有在集成电路的支持下,这些应用才可能得以实现。所以,集成电路产业是国民经济中基础性、关键性和战略性的产业,集成电路产业的强弱是国家综合实力强大与否的重要标志。




集成电路的测试设备主要包括测试机、分选机和探针台等。作为重要的专用设备,集成电路测试设备不仅可判断被测芯片或器件的合格性,还可提供关于设计、制造过程的薄弱环节信息,有助于提高芯片制造水平。其中:

测试机是检测芯片功能和性能的专用设备。测试机对芯片施加输入信号,采集被检测芯片的输出信号与预期值进行比较,判断芯片在不同工作条件下功能和性能的有效性。分选机和探针台是将芯片的引脚与测试机的功能模块连接起来并实现批量自动化测试的专用设备。在设计验证和成品测试环节,测试机需要和分选机配合使用;在晶圆检测环节,测试机需要和探针台配合使用。




集成电路测试设备的技术壁垒较高。集成电路行业集计算机、自动化、通信、精密电子测试和微电子等技术于一身,是技术密集、知识密集的高科技行业,集成电路的可靠性、稳定性和一致性要求较高,对生产设备要求较高。




集成电路测试贯穿了集成电路设计、晶圆制造、封装测试等的核心环节,具体如下:


1)集成电路的设计流程需要芯片验证,即对晶圆样品和集成电路封装样品进行有效性验证;


2)晶圆检测(CP,Circuit Probing):需要使用测试机和探针台;

a)晶圆检测是指在晶圆完成后进行封装前,通过探针台和测试机的配合使用,对晶圆上的裸芯片进行功能和电参数测试;

b)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并采集输出信号,判断芯片功能和性能在不同工作条件下是否达到设计规范要求。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;

cCP测试环节的目的是确保在芯片封装前,尽可能地把无效芯片筛选出来以节约封装费用;


3)成品测试(FT,Final Test):需要使用测试机和分选机。

a)成品测试是指芯片完成封装后,通过分选机和测试机的配合使用,对封装完成后的芯片进行功能和电参数测试。

b)分选机将被测芯片逐个自动传送至测试工位,被测芯片的引脚通过测试工位上的基座、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并采集输出信号,判断芯片功能和性能在不同工作条件下是否达到设计规范要求。测试结果通过通信接口传送给分选机,分选机据此对被测芯片进行标记、分选、收料或编带。

cFT测试环节的目的是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。


从经营模式来看,集成电路企业主要分为IDM(Integrated DeviceManufacturer)和垂直分工模式两种。




IDM 模式即垂直整合制造模式,是指企业除了进行集成电路设计之外,还拥有自己的晶圆厂、封装厂和测试厂,其业务范围涵盖集成电路设计、晶圆制造、封装及测试等全业务环节。由于该模式对企业的资金实力、研发力量、工艺水平、组织管理等要求较高,采用IDM 模式的企业均为技术、资金实力雄厚的全球芯片行业巨头,如Intel(英特尔)、TI(德州仪器)、Samsung(三星半导体)等。


垂直分工模式是指芯片设计、制造、封测由不同的企业分工完成。采用这种模式的芯片设计企业称为Fabless企业,即企业采用无晶圆生产线集成电路设计模式,只进行集成电路的设计和销售,将制造、封装和测试等生产环节分别外包给专业的晶圆制造企业、封装和测试企业来完成。由于无需花费巨额资金建立晶圆生产线,Fabless设计商可以集中资源专注于集成电路的研发设计,具有“资产轻、专业强”的特点。当今国际上大量知名集成电路企业采用Fabless 模式,如高通、AMD、苹果、飞思卡尔、联发科技等。




政策支持对于行业发展具有导向性作用

近十年来,我国政府通过实施国家科技重大专项01/02专项,颁布国家和地方政策,成立产业基金等多种方式大力支持集成电路产业的发展,特别是从2014年《国家集成电路产业发展推进纲要》颁布实施以来,各地发展集成电路热情高涨,纷纷兴建新工厂。公司于2016年10月通过定增扩股获得国家集成电路产业投资基金一期的资助,而国家大基金第二期的即将启动,也将掀起新一轮的半导体产业热潮。




目前我国是全球最大的半导体市场,根据SIA的统计数据,2018年我国销售额占全球的33.7%,2019年1-4月占全球的33.3%。在国家政策和资金的支持下,我国集成电路产值在近几年有了大幅的增长。根据中国半导体行业协会统计,2018年我国集成电路产业销售额为6532亿元,同比增长20.7%。其中设计业销售额为2519.3亿元,占比为39%,同比增长21.5%;制造业销售额为2193.9亿元,占比为34%,同比增长16.1%;封测业销售额1818.2亿元,占比为28%,同比增长25.6%。2008-2018年十年间集成电路行业产值的年均复合增长率为18%。




尽管我国集成电路产值近年有了大幅增加,但我国集成电路的自给率仍然很低。根据IC Insights的报告,2018年我国集成电路自给率仅15.5%,只比2013年提高了3个百分点,预计到2023年,自给率也只能提高到19.7%。我国要实现集成电路国产替代还需要较长的时间。




集成电路产业高度依赖进口,国产替代市场广阔。尽管我国的集成电路技术正在迅速发展,但因起步较晚与发达国家还存在不小的差距,行业的进出口逆差巨大。2017年全球前十大集成电路设计厂商绝大部分为海外公司,国内企业销售额不到10%,自给率很低。这一方面凸显了国产技术进步的紧迫性,另一方面又体现出国产替代的广阔空间,对国内公司来说既是挑战更是机遇。




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