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2023年5月19日

半導體測試介面公司

在半導體領域,封裝測試公司一般毛利率都不高。但,在測試細分領域,卻有一個高毛利率的小族群,也就是半導體測試介面公司半導體測試介面產品屬於"客製化"類產品。來簡單理解一下半導體測試介面公司。


隨著第五代行動通訊技術(5G)商轉,各國政府陸續積極建置5G基地台,多項5G應用技術正快速發展。隨著通訊技術進入5G世代,帶動AI生態發展, 如元宇宙、電動車、智慧製造等各項應用,這些生態發展均需植基於半導體產業。未來智慧生活型態所帶來之IC數量將有增無減,高階測試板與探針卡需求可望增加。


IC測試則可分為兩階段,一是進入封裝之前的晶圓測試,主要測試晶片上晶粒的電性。另一則為IC成品測試,主要在測試IC功能、電性與散熱是否正常,以確保品質。探針卡則是使用於晶 圓測試階段,對晶片上的每個晶粒進行針測。


(1)晶圓測試卡:晶圓測試卡(包含探針卡)為晶圓測試媒介之一,主要用途在檢驗製作完成後的晶圓良率。


(2)探針卡:探針卡(Probe Card)是一片佈滿探針的電路板,為測試機台和待測晶圓間測試分析的介面;晶圓製作完成後,需要透過探針卡測試晶圓品質,檢測出品質優良、或不良(瑕疵或故障)的 IC (integrated circuit,晶粒);後續封裝流程中,只有品質優良的IC進入封裝程序,而品質不良的IC則避免封裝造成不必要的成本浪費。


(3)IC測試板:為IC測試重要介面之一,主要用途在半導體後段IC封裝後的良率測試。


每一種類型的IC至少需一片相對應之探針卡探針卡的工作原理係藉由設置於探針卡上的探針(probe needles)與待測晶片 (Devices Under Test,DUT)上的銲墊(pad)或凸塊(bump)接觸進行針測(Probe test),輸入及輸出晶片訊號以進行電性量測,再配合周邊測試儀器與軟體控制達到自動化量測。 晶圓經針測之後,晶圓依晶粒為單位切割成獨立的晶粒,再讓合格的晶粒繼續進到後段IC封裝製程,以塑膠、陶瓷或金屬包覆,可保護晶粒以免受汙染,並有助後續裝配流程,達成晶片與電子系統的電性連接與散熱效果。由於IC封裝的成本在整體IC生產上所佔比例較高,故避免不良晶粒進入後段封裝製程,可顯著地控制構裝成本、避免不必要的浪費。


探針卡產業現況

探針卡是測試機台與待測晶圓間相當重要的媒介工具,透過探針卡之探針 (Probe)與晶圓上的銲墊(Pad)或凸塊(Bump)接觸後,將電性信號傳送到測試機台分析其功能與特性,判別晶粒的好壞,即透過電性量測的方式篩出不良品,減少切割 後的不良品進入後段的封裝製程,降低IC生產成本的浪費。


隨著終端電子產品高效能及低功耗訴求,採用先進製程技術之產品日益增多, 從28奈米至3奈米,高階封裝成本逐漸增加,因此能減少構裝成本之晶圓探針卡的 技術與效能日趨重要,且因IC種類繁多,除了腳位不同、間距變化、頻率變化等, 都是提供良好測試品質所需設計滿足的條件。MEMS探針卡(MEMS Probe Card)具備微接觸力、微間距、高針數、大電流、維修易等優點,可滿足客戶晶圓工程驗證及量產測試之所需,成功突破傳統探針卡的瓶頸,成為晶圓測試探針卡主流


IC測試板產業現況

IC測試板主要應用在IC封裝後的成品測試(Final Testing , FT),以進行功能測試及分類的動作,其目的在確保IC的功能、速度、可靠度、電源消耗等屬性是否正常,透過此階段的測試,剔出功能不全的IC,並進一步確保IC的品質,避免終端產品因為IC不良產生報廢。

探針卡發展趨勢

探針卡的發展與IC產業的電子封裝發展有高度關聯,目前如系統級封裝 (System in Package, SiP)、立體封裝(2.5D & 3D IC Packaging)、扇出型封裝(Fan Out Packaging)、微機電與感測元件封裝(MEMS and Sensor Packaging)、高頻測試等需求,均需仰賴不同的探針測試技術。IC產業中對於封裝與測試階段的成本要求嚴謹,且伴隨IC製程技術演進,封裝與測試階段的技術要求也愈趨嚴苛。 歸納出以下十項發展趨勢:


針距細微化 

半導體整體技術的演進,將持續朝電路間隔微小化前進。配合未來IC製程微縮及晶片面積持續縮小,構裝接合技術追求最短連接長度、最佳電氣特性、高輸出/輸入接點密度,以縮小IC尺寸,增加單位晶粒數量;晶圓探針卡勢必朝向更細微化之針距發展,以符合IC製程技術的要求。 


處理高速訊號干擾 

晶片系統級封裝 (System in Package, SiP)以及多晶片堆疊構裝系統已成為IC發展主流,SiP封裝的成本仍高,因此多晶片堆疊封裝前,必須確認單一晶片良率無礙,以及堆疊的各種晶片都經過針測,確保良率後再行構裝,以避免後續額外支出。此些晶片系統級封裝(System in Package, SiP) 以及多晶片堆疊構裝當中的高速訊號需處理相關訊號整合及電磁干擾問題 (signal performance),技術難度逐漸提升。


處理熱效應問題 

IC產品適用的工作環境各不相同,故晶圓測試時,必須模擬產品使用環境 (高低溫)進行測試,以確認溫度的衝擊不會影響IC產品電子電路的正常運行。 數款晶片測試時都需考慮熱效應或高低溫測試問題。High performance晶片衍生的熱效應問題在晶圓測試階段、以及後段封裝階段影響甚鉅;此外, 車用晶片需求漸增,也凸顯熱效應問題的重要性。有些類型晶片需要更長的晶圓測試時間、更複雜的晶圓測試環境,使得探針卡設計必須考慮到晶圓測試時的增溫、降溫問題與限制,及溫度效應造成的探針卡變異現象。


高頻高速探針卡 

高速SerDes介面(high speed SerDes interface)應用漸增,面對此類光纖傳輸通訊界面測試,光纖對位精度要求嚴謹,光通訊所需的測試也需仰仗新的測試方法。探針卡須開發新的設計,以克服目前光通訊測試面臨的瓶頸。 5G通信、車用電子、VR無線傳輸、網路應用需求上揚,使高速通訊晶片需求大幅成長,甚至驅動IC也朝高速訊號傳遞發展。高速通訊晶片中最重要的設計考量乃訊號之傳遞,所以訊號傳遞路徑的阻抗匹配、及訊號完整性都極其重要;如何進行探針卡的線路設計與製造精密度,以確保訊號傳遞之完整性,亦為探針卡的開發關鍵。


多晶片平行測試 

為節省測試時間與提升成本效益的一次接觸多晶片測試的策略,使得探針卡的設計難度激增。此外,要達到多晶片平行測試目的,設計晶片同測數要高,同測面積要大,並且達成DUT與DUT間的一致性,控制良好平面 度… …等,這些需求都須仰賴更好的探針卡設計製造技術。 


適用不同半導體材質與技術 

對於半導體新製程技術的創新與開發,將衍生對應出不同類型的晶片焊墊 (Bonding Pad)及焊墊材質。若待測晶片之接觸銲墊材質不同,所需之探針卡技術亦將有所差異。 


低接觸電阻 

為符合手持行動裝置減少耗電的需求,其操作電壓相對應會降低,而探針卡在測試晶片時的接觸電阻就不能太高。因此低接觸電阻探針卡,亦為設計開發之要點。 


少清針 

探針卡的針尖接觸品質不佳時,將無法達到良好測試功能,必須加以清針才能繼續測試;但清針時,針尖會被磨耗,探針壽命會因此縮短。因此開發少清針之探針卡已成產品發展重點。 


Low k 

晶片用探針卡為了在更微縮的半導體製程中降低銅導線連線的RC delay變異,製程中已泛用 Low-k Dielectrics (低介電係數介電材料)作為連線材料;由於Low k材質多屬於易脆多孔性材料,在進行晶圓針測時,如何控制探針卡的針壓範圍、避免造成晶片的傷害,是非常重要的一環。 


高功率晶片測試 

工業、通訊與網通設備市場對於高功率、高電壓的電源晶片需求迅速攀升, 促使IC廠商廣泛布局相關產品;工業、通訊、網通設備對於高功率電源晶片需求的共通點在於高輸入電流,故開發適用於高功率晶片測試的探針卡,就非常重要


價格競爭

競爭同業價格競爭,會增加搶單風險。晶圓測試卡與IC測試板產業競爭激烈,無論在價格或品質上面臨國內外廠商的競爭。部分競爭同業為提高市場占有率採取價格競爭策略。


以下是台股的半導體測試介面公司和一些簡單的財務資訊。目前半導體測試介面公司主要有4家,分別是6510 精測, 6223 旺矽, 6683 雍智, 6515 穎崴。

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