行业观点 | 功率半导体测试设备行业分析 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

一、半导体测试简介

1.1 半导体制造中的测试流程

测试是半导体制造流程中必不可少的环节。一般在芯片设计、晶圆制造和封装检测阶段均会涉及到芯片测试，从前到后一般可以分为功能性验证、晶圆接受测试（Wafer acceptable test，WAT）、晶圆测试（Circuit Probing，CP）和最终测试（Final test，FT）四个阶段；另外对于部分工艺和制程，需要额外的晶圆级可靠性测试（Wafer level reliability test，WLR）和确认优良芯片测试（Know Good Die，KGD）。

图1. 集成电路制造流程图

1.2 半导体测试分类（按产品）

对于不同类别的半导体器件/芯片，其测试的要求和特点均不同，因此对测试设备也存在不同的需求。如功率半导体测试主要需要测试电学性能，因此对测试系统的激励源输出能力及测试分辨率要求较高；数字、存储类芯片主要进行功能测试，因此对测试系统的信号频率、信号传输及同步性要求较高，具体可参考下表：

器件/芯片类别	测试项目	被测器件/芯片
小信号器件	电学性能测试：耐压或阈值电压测试、正向电流测试、最大电流、反向漏流测试、电流放大倍数、短路性能测试等电流电压直流参数，对测试系统的稳定性、一致性以及测试效率要求较高	普通二极管、三极管、稳压管、TVS、MOS 管等小功率器件
功率半导体器件	电学性能测试：耐压或阈值电压测试、正向电流测试、最大电流、反向漏流测试、电流放大倍数、短路性能测试等电流电压直流参数和热阻、雪崩、RG/CG、开关时间、二极管反向恢复时间、栅极电荷测试以及浪涌测试等交流参数测试，大功率MOSFET、IGBT 和第三代半导体对测试系统的高电压大电流测试能力要求较高	中大功率二极管、三极管、MOSFET、IGBT 等功率半导体器件及模块
模拟及数模混合芯片	最大/最小电流电压测试、开短路阈值测试、频率测试、动态参数测试、边沿测试、建立和保持时间测试传输延时测试、功率测试、积分非线性测试、总谐波失真测试、性能和功能扫描测试等，以模拟信号测试为主，但对数字通道数量、矢量深度、测试速度、向量深度、算法等测试也有较高的要求	电源管理芯片、功率放大器、数据转化器、LED驱动芯片、LDO 稳压器、马达驱动芯片、音频、通讯接口芯片等
数字及SOC 类芯片	硬件和软件系统复杂度和技术要求高，对测试板卡速度、精度、向量深度、种类、测试方法和算法，调试工具、软件等要求较高，速度要求100MHz-10GHz, 向量深度256-512MV，协议100多种，需要持续研发以适应不断迭代的高端芯片和新的技术标准协议，测试系统的测试通道可达2000个，对数字通道测试频率要求高	CPU、GPU、ASIC、MCU、CIS、数字信号处理器、显示驱动芯片、高端AD/DA芯片等
存储类芯片	系统、软件、算法、调试工具系统庞大复杂，速度要求200MHz-6GHz, 向量深度256-512MV，由于芯片存储单元较多，其数量巨大，测试系统的测试通道上万个，且对频率及信号同步性要求较高	DRAM、NAND和Nor Flash等芯片

信息来源：联动科技招股说明书

二、功率半导体测试设备简介

2.1 功率半导体测试设备基本原理

功率半导体测试设备主要由硬件部分（信号激励源、信号采集器、主控计算机、开关矩阵、测试对象适配器、外围设备等）及软件部分（控制软件）组成，其核心为信号激励源、信号采集器及开关矩阵等。测试时，测试设备需要依据被测器件(DUT)特点和功能，给DUT提供测试激励(X)，通过测量DUT输出响应(Y)与期望输出做比较，从而判断DUT是否符合标准。其核心是提供需要测量参数所对应的适合激励（需要激励源的激励范围足够广，并通过开关矩阵切换适合的激励单元、电路），并能进行高精度的信号采集。

图2. 功率半导体测试设备硬件结构

图3. 根据不同测试需求连接不同电路拓扑

2.2 功率半导体测试设备核心模块——源表

源表（Source Meter Unit）可以理解成四种仪器集成在一起：四象限电压源，四象限电流源（即可以输出正负电压和正负电流），电压表，电流表，可以根据使用者的需要和被测器件提供四种基本工作模式，包括VFIM、VFVM、IFVM、IFIM（V/I激励F + V/I测量M）。不同被测器件需要源表的不同工作模式，例如：1）测量固定电阻时：通常源表施加恒定的直流电压，同时进行电流的测量；2）测量二极管或三极管IV特性时：需要在指定的电压或电流范围内，逐点改变电压V或电流I的值并测量；3）测量VCSEL、MOSFET等激励电流较大器件时：为避免器件特性变化甚至熔断，会采用脉冲替代直流激励；4）测量锂电池的交流内阻时：源表需要给电池注入特定频率和幅度的电流正弦波。

源表基本的工作过程如下：1）MCU、FPGA进行数据运算和处理，设定输出电压/电流；2）DAC进行数字-模拟信号转化；3）差分放大器根据电压/电流模式进行切换，并提供负载电压/电流的反馈；4）功率放大器对输入电压/电流放大后输出到负载上；5）电压表模块测量负载两端电压，并将电压信息反馈至差分放大器及数据采集器；6）如需测量电流，则在Force high/low端串联一电阻，并测量该电阻电压并计算出电流，将电流信息反馈至差分放大器及数据采集器。

图4. 源表等效电路图

图5. 源表工作原理示意图

三、功率半导体测试设备市场规模

功率半导体测试设备市场主要决定于功率半导体晶圆产能及封装（模块）产能的扩充。在硅基晶圆端，目前国内各大主要功率晶圆厂主要扩建8吋和12吋产能。根据不完全统计，未来几年国内8吋功率晶圆产能将从55.9万片/月提升至84万片/月；国内12吋功率晶圆产能将从16万片/月提升至43.8万片/月，以生产高端MOSFET和IGBT为主，从而给予高端功率半导体测试设备较为确定的市场增量。

信息来源：公开信息、集微咨询

在SiC晶圆端，国内各类型厂商纷纷布局SiC，包括 1）SiC Fabless向IDM转型，如瞻芯电子、清纯半导体等；2）SiC模块厂向上游晶圆布局，如基本半导体、芯聚能/芯粤能等；3）传统功率器件厂或晶圆厂扩展SiC，如三安光电、中芯集成、积塔、燕东微、士兰微等。根据公开数据统计，国内SiC晶圆产能将从2022年的30万片/年提升至2026年的480万片/年，CAGR达到100%。除产能扩张迅速外，SiC目前的良率较低，成本和可靠性要求较高，带来了KGD、WLR等新兴的测试需求，对测试设备的需求量进将一步增大。

根据下游市场分析数据测算，2023年国内功率半导体测试设备市场规模为9.98亿元，预计2027年该市场规模将达到23.14亿元，CAGR 23.38%。该领域市场增量主要来自于：1）8吋及12吋硅基晶圆扩产需求；2）SiC晶圆厂扩产需求，且扩产速度逐年提高；3）SiC晶圆对KGD和WLR测试的新需要；4）国内IGBT及SiC模块产能的大幅提高等。

图6. 国内功率半导体测试设备市场规模（按应用，单位：亿元）

四、投资建议

功率半导体测试设备技术壁垒较高，且近年来受益于国内功率半导体产能扩张及KGD、WLR等新的测试需求产生，市场增速明显。掌握稀缺源表底层技术的企业，具有在功率半导体测试中胜出的机会。安芯投资战略布局博测锐创并进行深度合作，导入产业资源，期待博测锐创在安芯投资支持下迅速成长，解决国内高端功率半导体测试难题。

来源：安芯投资

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