半導(dǎo)體測(cè)試|新涌現(xiàn)的技術(shù)與物流挑戰(zhàn)

半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展迅猛而廣泛，目前已經(jīng)滲透并影響到我們生活的方方面面。半導(dǎo)體器件已經(jīng)應(yīng)用在我們的汽車、便攜式電子產(chǎn)品、辦公設(shè)備、醫(yī)療儀器、工業(yè)機(jī)械、通信基礎(chǔ)設(shè)施和無(wú)數(shù)的其他方面，幾乎無(wú)處不在。

盡管最近發(fā)生的影響廣泛的全球事件對(duì)每個(gè)行業(yè)都提出了挑戰(zhàn)，但半導(dǎo)體行業(yè)仍然充滿活力，并繼續(xù)保持增長(zhǎng)勢(shì)頭。據(jù)行業(yè)分析公司 Statista 給出的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)，2021年半導(dǎo)體年出貨量達(dá)到歷史最高水平（如圖1所示），即出貨量將達(dá)到 1.14 萬(wàn)億件，總價(jià)值約為 4700 億美元。這一創(chuàng)紀(jì)錄的增長(zhǎng)也將為半導(dǎo)體行業(yè)帶來(lái)一系列挑戰(zhàn)。

圖1 2000年以來(lái)的全球半導(dǎo)體出貨量

半導(dǎo)體公司必須提高產(chǎn)量來(lái)滿足需求，同時(shí)需要避免以往發(fā)展繁榮期之后出現(xiàn)的投資過(guò)度狀況。面對(duì)成本壓力，公司往往會(huì)被迫追求財(cái)務(wù)效率，半導(dǎo)體行業(yè)需要轉(zhuǎn)向新的投資方式。

本本將探討持續(xù)創(chuàng)新的需求如何改變半導(dǎo)體測(cè)試現(xiàn)狀，以及采購(gòu)基本測(cè)試設(shè)備的替代方案如何幫助公司應(yīng)對(duì)其所面臨的挑戰(zhàn)。這些替代方案將提供一種更為靈活的方法，助力行業(yè)公司控制成本，同時(shí)保持生產(chǎn)靈活性，及時(shí)抓住稍縱即逝的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。

半導(dǎo)體工業(yè)與摩爾定律

自19世紀(jì)早期發(fā)現(xiàn)第一批半導(dǎo)體材料后，接下來(lái)一個(gè)世紀(jì)的研究生產(chǎn)出了第一批半導(dǎo)體器件，包括用于無(wú)線電信號(hào)檢測(cè)的整流器。自從20世紀(jì)40年代貝爾實(shí)驗(yàn)室的 William Shockley 及其團(tuán)隊(duì)發(fā)明了晶體管之后，半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展速度迅速加快，并自此以后，一直保持著不懈的發(fā)展步伐。

1958年，Jack Kilby（德州儀器公司的員工）展示了他的集成電路（IC）的原型。集成電路的特點(diǎn)是使用由相同半導(dǎo)體材料制成的一個(gè)晶體管和若干無(wú)源元件，并用導(dǎo)線連接在一起。隨著 IC 的誕生，電子系統(tǒng)變得更小、更便宜、更節(jié)能。

盡管源于 Kilby 原型的 IC 器件為電子系統(tǒng)小型化提供了可能方式，但仍然很難制造。這些問(wèn)題在1960年得到了解決，當(dāng)時(shí)（飛兆半導(dǎo)體公司）的 Robert Noyce 獲得了“平面制程”的專利，通過(guò)這種工藝，將不同功能的元件（包括各元件之間的互連）堆焊在連續(xù)的沉積層中，可以大批量制造集成電路?；诠瑁⊿i）的 IC 的大規(guī)模生產(chǎn)成為電子技術(shù)發(fā)展的真正轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

集成電路器件變得越來(lái)越復(fù)雜，而滾雪球式的需求帶來(lái)了更大的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。這樣就降低了單位生產(chǎn)的相關(guān)成本，從而降低了客戶的價(jià)格。

通過(guò)推斷 IC 生產(chǎn)最初幾年的發(fā)展?fàn)顩r，Gordon Moore（他和諾伊斯一起創(chuàng)立了英特爾公司）做出了大膽預(yù)測(cè)，即眾所周知的“摩爾定律”。他表示，計(jì)算機(jī)芯片中的晶體管數(shù)量將每?jī)赡攴环?，同時(shí)，相關(guān)的成本則會(huì)減半，這一觀點(diǎn)至今仍然適用。

圖2 半導(dǎo)體發(fā)展時(shí)間線

摩爾定律提供了一個(gè)標(biāo)桿，在過(guò)去50年里推動(dòng)了半導(dǎo)體行業(yè)創(chuàng)新，同時(shí)推動(dòng)各公司不斷探索新的設(shè)計(jì)和制造方法。這種不斷的迭代和改進(jìn)伴隨著半導(dǎo)體行業(yè)“繁榮”和“蕭條”的周期性循環(huán)，因?yàn)閷?duì)新一代技術(shù)的需求首先會(huì)超過(guò)當(dāng)前供應(yīng)，導(dǎo)致生產(chǎn)過(guò)剩。半導(dǎo)體行業(yè)面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，在不過(guò)度投資的情況下，滿足當(dāng)前不斷加速發(fā)展的需求。這就需要在投資下一代技術(shù)的同時(shí)滿足發(fā)展需求，以在未來(lái)五十年及更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)延續(xù)摩爾定律的效用。

半導(dǎo)體測(cè)試方式的改變

自60年前提出最初概念以來(lái)，IC 的設(shè)計(jì)和制造取得了巨大進(jìn)步。目前，最先進(jìn)的圖形處理單元（GPU）芯片可包含超過(guò)500億個(gè)晶體管柵極。而 Kilby 的初始 IC 原型中只包含有一個(gè)晶體管柵極。

雖然第一個(gè) IC 出現(xiàn)在60多年前，但芯片制造商的目標(biāo)自此時(shí)起就很少改變。通過(guò)利用最新的技術(shù)進(jìn)步，制造商必須持續(xù)生產(chǎn)不斷提高性能的器件。每一代新器件都需要提供更多的功能，減小 PCB 占用面積，并降低功耗。

據(jù)估計(jì)，2021年半導(dǎo)體行業(yè)的年度研發(fā)（R&D）總支出將超過(guò) 710 億美元（資料來(lái)源：IC Insights），比上一年增長(zhǎng)了4%。不出所料，英特爾和三星是其中的最大支出者（兩者的總支出額接近 200 億美元），而英偉達(dá)、聯(lián)發(fā)科和 AMD 也名列前十之內(nèi)。

并且，目前還沒(méi)有放緩的跡象，總體支出額度將繼續(xù)攀升，預(yù)計(jì)到2025年投資額將超過(guò) 890 億美元。

生產(chǎn)線和研發(fā)實(shí)驗(yàn)室中使用的測(cè)試設(shè)備占到前面所述的研發(fā)投資的一大部分，因此半導(dǎo)體制造商需要明智地做出預(yù)算，以便確保從中獲得最大收益。不幸的是，事情并不總是按照最佳預(yù)期來(lái)發(fā)展的。

市場(chǎng)分析咨詢公司 Frost and Sullivan 匯編的數(shù)據(jù)表明，科技公司的測(cè)試設(shè)備的有效利用時(shí)間可能只占到約20%。像這樣的低利用率表明，這些公司的庫(kù)存管理和設(shè)備采購(gòu)實(shí)踐并不是最優(yōu)的。因此，越來(lái)越多的公司正在尋求從他們的測(cè)試和測(cè)量庫(kù)存和運(yùn)營(yíng)活動(dòng)中獲得更大的價(jià)值。

圖3 測(cè)試工程師的設(shè)備優(yōu)先級(jí)

了解混合設(shè)備采購(gòu)方案

雖然大多數(shù)半導(dǎo)體制造商仍然會(huì)選擇購(gòu)買所需的測(cè)試設(shè)備，而這種情形主要是出于習(xí)慣，而不是通過(guò)對(duì)可用方案進(jìn)行仔細(xì)評(píng)估后做出的選擇。研發(fā)和質(zhì)量保證經(jīng)理越來(lái)越擔(dān)心公司測(cè)試成本的上升，以及不確定未來(lái)將采用何種技術(shù)，半導(dǎo)體行業(yè)的公司迫切需要重新考量他們的采購(gòu)方案。

以下情景著重說(shuō)明了當(dāng)前的一些市場(chǎng)挑戰(zhàn)，并舉例說(shuō)明公司深思熟慮的采購(gòu)解決方案如何幫助克服這些挑戰(zhàn)。

1.滿足突然增加的需求

如果由于 OEM 需求原因，生產(chǎn)廠商需要突然提高產(chǎn)量，就需要額外的設(shè)備。但這種需求可能無(wú)法持續(xù)，因此可能會(huì)導(dǎo)致相關(guān)設(shè)備變得多余。在經(jīng)歷了多年的行業(yè)周期性繁榮和蕭條之后，制造商必須做好充分準(zhǔn)備，在隨著產(chǎn)品獲得商業(yè)吸引力而擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模的同時(shí)，需要保護(hù)自己免受過(guò)度投資的風(fēng)險(xiǎn)。租賃等更靈活的設(shè)備采購(gòu)解決方案有助于降低過(guò)度投資風(fēng)險(xiǎn)。

2.管理受限預(yù)算

越來(lái)越多的無(wú)晶圓廠初創(chuàng)公司需要像規(guī)模更大的同行企業(yè)一樣，能夠測(cè)試和表征他們的器件產(chǎn)品。但由于可用資本有限，這些公司面臨著更大的財(cái)務(wù)限制。因此，避免大量前期投資的測(cè)試設(shè)備策略需求不僅僅是可取的，而且是絕對(duì)必要的。IC 設(shè)計(jì)公司也是如此，因?yàn)檫@類公司的規(guī)模相對(duì)較小，工作也具有較大可變性，他們通常需要在項(xiàng)目之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并且每個(gè)項(xiàng)目都有自己獨(dú)特的測(cè)試要求。在這些情況下，設(shè)備租賃成為一個(gè)極具吸引力的選擇，也是分散成本來(lái)適應(yīng)融資周期的較佳財(cái)務(wù)解決方案。

3.應(yīng)對(duì)意外的測(cè)試需求

項(xiàng)目預(yù)算通常是預(yù)先確定的，但是在項(xiàng)目過(guò)程中測(cè)試需求可能會(huì)發(fā)生變化，這就需要額外的測(cè)試設(shè)備。而在項(xiàng)目開(kāi)始后，很難獲得此類測(cè)試設(shè)備的額外預(yù)算。這樣可能會(huì)有損項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)，扼殺創(chuàng)新。短期內(nèi)從專業(yè)供應(yīng)商處獲得設(shè)備，即可獲得完成運(yùn)營(yíng)預(yù)算資助項(xiàng)目所需的最新測(cè)試技術(shù)。這樣就避免了可能阻礙項(xiàng)目進(jìn)展的冗長(zhǎng)的資本支出審批，以及購(gòu)買未來(lái)可能不再需要的設(shè)備的財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)。

4.適應(yīng)技術(shù)變革的步伐

各類新標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)布，尤其是需要支持的嵌入式接口和無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。購(gòu)買的設(shè)備有可能很快過(guò)時(shí)。更具適應(yīng)性的測(cè)試設(shè)備采購(gòu)策略，即正確組合采購(gòu)方案，包括設(shè)備租賃、二手設(shè)備購(gòu)買及分散購(gòu)買成本和風(fēng)險(xiǎn)的財(cái)務(wù)解決方案，能夠促進(jìn)研發(fā)活動(dòng)更好地適應(yīng)市場(chǎng)條件的任何變化。如此，半導(dǎo)體行業(yè)公司可運(yùn)用靈活性來(lái)有效利用潛在業(yè)務(wù)機(jī)會(huì)，并且避免因過(guò)度投資而使自身陷入財(cái)務(wù)窘境。

在嚴(yán)峻的成本與物流壓力下，半導(dǎo)體行業(yè)公司必須制定更符合其實(shí)際需求的測(cè)試設(shè)備采購(gòu)策略。他們需要采用更多的采購(gòu)靈活性，而不是堅(jiān)持根據(jù)情況購(gòu)買新設(shè)備的傳統(tǒng)方法。如此，他們能夠應(yīng)對(duì)特定項(xiàng)目的需求，或者關(guān)注潛在的測(cè)試能力波動(dòng)，而避免了因購(gòu)買冗余測(cè)試設(shè)備而承擔(dān)財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)的風(fēng)險(xiǎn)。

還應(yīng)注意的是，當(dāng)前的芯片短缺現(xiàn)狀正在影響 OEM 工程師開(kāi)發(fā)先進(jìn)系統(tǒng)解決方案的能力。為了防止生產(chǎn)停滯，避免錯(cuò)過(guò)業(yè)務(wù)機(jī)會(huì)，設(shè)計(jì)往往需要在短時(shí)間內(nèi)返工。因此，半導(dǎo)體行業(yè)公司在測(cè)試過(guò)程中必須運(yùn)用更大的靈活性，可以靈活地將現(xiàn)有設(shè)備更換為與新設(shè)計(jì)更相關(guān)的測(cè)試設(shè)備。

通過(guò)資產(chǎn)優(yōu)化釋放庫(kù)存價(jià)值

除了改變?cè)O(shè)備采購(gòu)方案，半導(dǎo)體行業(yè)公司還可通過(guò)更好地了解他們擁有的測(cè)試設(shè)備庫(kù)存以及具體如何使用這些庫(kù)存來(lái)提升資產(chǎn)效率。根據(jù)設(shè)備品牌、型號(hào)和關(guān)鍵規(guī)格相關(guān)的數(shù)據(jù)，以及設(shè)備當(dāng)前位置、最近維護(hù)時(shí)間、校準(zhǔn)狀態(tài)等相關(guān)信息，公司可以做出更明智的采購(gòu)決策。公司還可以調(diào)查設(shè)備利用率水平，使采購(gòu)經(jīng)理能夠更容易地決定是否需要購(gòu)買額外的設(shè)備。公司可以出售未使用的設(shè)備，以騰出現(xiàn)金投資于其他方面。

利用這些資產(chǎn)優(yōu)化工具，許多客戶能夠?qū)⒃O(shè)備利用率提高一倍。在某些情況下，客戶公司能夠減少 70% 計(jì)劃外設(shè)備采購(gòu)，并且公司的員工花費(fèi)在管理公司測(cè)試資產(chǎn)或搜索有即時(shí)需求的項(xiàng)目上的時(shí)間要少得多。公司還可以通過(guò)對(duì)設(shè)備庫(kù)存的進(jìn)一步了解來(lái)做出更好的采購(gòu)決策。

器件表征、一致性測(cè)試是創(chuàng)新必備

在所有實(shí)時(shí)示波器中，Keysight Technologies In?niium UXR 集成了功能最強(qiáng)大、技術(shù)最先進(jìn)的模擬前端。這款儀器的可用帶寬為 5 至 110 GHz，針對(duì)先進(jìn)技術(shù)提供了一套全面的探測(cè)、分析應(yīng)用和測(cè)量方案。采用領(lǐng)先的磷化銦芯片技術(shù)、定制薄膜多芯片模塊封裝和集成法拉第籠結(jié)構(gòu)。并且可保證提供捕捉和測(cè)量當(dāng)前和未來(lái)高帶寬低壓信號(hào)所需的速度、低噪聲和高可靠性。

羅德與施瓦茨公司的 R&S? ZVA 網(wǎng)絡(luò)分析儀適用于表征最新的 RF 收發(fā)器，是半導(dǎo)體測(cè)試工程師的寶貴工具。這款儀器的頻率范圍很寬，10MHz 至 110GHz，頻率分辨率為 1Hz。載波中每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)量時(shí)間低于 3.5 μs，200 多個(gè)測(cè)試點(diǎn)的頻率掃描可在 5 ms 內(nèi)完成。這款儀器具有 140dB 動(dòng)態(tài)范圍，支持識(shí)別信號(hào)丟失的原因。

羅德與施瓦茨公司針對(duì)高通量一致性測(cè)試進(jìn)行了優(yōu)化，提供了 R&S? CMW500 寬帶無(wú)線通信測(cè)試儀。這款儀器可用于檢測(cè)蜂窩、 WLAN 和藍(lán)牙芯片的運(yùn)行參數(shù)，以確保符合必要的協(xié)議。并且還可用于驗(yàn)證集成到現(xiàn)代車輛設(shè)計(jì)中的 C-V2X 通信 IC 。

Keysight UXA 信號(hào)分析儀用于支持工程師在 5G、802.11ax/ay、衛(wèi)星、雷達(dá)、電子戰(zhàn)等領(lǐng)域表征當(dāng)今最具挑戰(zhàn)性的信號(hào) — 快速跳頻、寬帶、瞬態(tài)信號(hào)。這款儀器具有業(yè)界領(lǐng)先的相位噪聲和寬無(wú)雜散動(dòng)態(tài)范圍，可提供最具挑戰(zhàn)性信號(hào)的更寬（高達(dá) 1 GHz）、更深視圖。并可利用無(wú)間隙實(shí)時(shí)頻譜分析捕捉間歇信號(hào)，利用改進(jìn)的 DANL 低噪聲路徑捕捉低雜散信號(hào)。

結(jié)論

隨著 IC 生產(chǎn)進(jìn)入第七個(gè)十年，IC 的普及程度比以往任何時(shí)候都要高。半導(dǎo)體制造商在測(cè)試產(chǎn)品方面的投資占到其年度資本和運(yùn)營(yíng)成本中相當(dāng)大的一部分。因此，必須以經(jīng)濟(jì)高效的方式進(jìn)行測(cè)試，盡可能提高設(shè)備利用率，并將計(jì)劃外采購(gòu)和庫(kù)存降至最低。

通過(guò)遵循基于謹(jǐn)慎組合的租賃、購(gòu)買（新的和二手設(shè)備）和有效分?jǐn)偝杀镜呢?cái)務(wù)解決方案的綜合測(cè)試設(shè)備采購(gòu)策略，半導(dǎo)體公司可以適應(yīng)任何可能發(fā)生的情況。隨著相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的改變，可以很容易地使用最新的設(shè)備，然后替換為其他設(shè)備。這樣就消除了多余購(gòu)置不再需要的昂貴儀器的風(fēng)險(xiǎn)，并避免了不必要的持續(xù)運(yùn)營(yíng)成本（保險(xiǎn)、財(cái)務(wù)還款、維護(hù)等）。

益萊儲(chǔ)的全球設(shè)備庫(kù)存價(jià)值超過(guò) 10 億美元，客戶可以直接從設(shè)備庫(kù)存中獲得數(shù)千種測(cè)試設(shè)備。并且可通過(guò)各種不同的方案獲得測(cè)試設(shè)備。其中包括短期租賃、租購(gòu)、運(yùn)營(yíng)租賃和先租后買方案，以及經(jīng)過(guò)認(rèn)證的二手設(shè)備。益萊儲(chǔ)的測(cè)試設(shè)備具有即時(shí)可用性，即表明這些測(cè)試設(shè)備可以在短時(shí)間內(nèi)部署應(yīng)用到客戶現(xiàn)有的工作流程中，因此，生產(chǎn)需求不會(huì)受到阻礙。益萊儲(chǔ)團(tuán)隊(duì)隨時(shí)準(zhǔn)備幫助客戶匹配到符合其技術(shù)要求的合適設(shè)備，并提供最合適的采購(gòu)解決方案。

采取這種更加深思熟慮的設(shè)備采購(gòu)方案，同時(shí)優(yōu)化現(xiàn)有測(cè)試資產(chǎn)的利用，可以顯著提高客戶資產(chǎn)利用率，通常會(huì)提高40%以上?？蛻粼僖膊恍枰獮殚e置的硬件預(yù)備資金。這種方案可以優(yōu)化和降低測(cè)試費(fèi)用，同時(shí)隨著新設(shè)計(jì)更快進(jìn)入市場(chǎng)，客戶利潤(rùn)也會(huì)增加。此外，通過(guò)資產(chǎn)優(yōu)化，客戶將能夠提高運(yùn)營(yíng)效率，提高生產(chǎn)率，減少浪費(fèi)。以前無(wú)法獲得的營(yíng)運(yùn)資本可以引導(dǎo)應(yīng)用于客戶公司的其他業(yè)務(wù)方面。

通過(guò)確保在需要時(shí)可獲得所需的設(shè)備，工程師可以專注于他們最擅長(zhǎng)的領(lǐng)域，發(fā)展創(chuàng)新，創(chuàng)造新的半導(dǎo)體器件，推動(dòng)未來(lái)50年的發(fā)展。