半导体测试 | 新涌现的技术与物流挑战

半导体技术的发展迅猛而广泛，目前已经渗透并影响到我们生活的方方面面。半导体器件已经应用在我们的汽车、便携式电子产品、办公设备、医疗仪器、工业机械、通信基础设施和无数的其他方面，几乎无处不在。

尽管最近发生的影响广泛的全球事件对每个行业都提出了挑战，但半导体行业仍然充满活力，并继续保持增长势头。据行业分析公司 Statista 给出的预测数据，2021年半导体年出货量达到历史最高水平（如图1所示），即出货量将达到 1.14 万亿件，总价值约为 4700 亿美元。这一创纪录的增长也将为半导体行业带来一系列挑战。

图1. 2000年以来的全球半导体出货量

半导体公司必须提高产量来满足需求，同时需要避免以往发展繁荣期之后出现的投资过度状况。面对成本压力，公司往往会被迫追求财务效率，半导体行业需要转向新的投资方式。

本本将探讨持续创新的需求如何改变半导体测试现状，以及采购基本测试设备的替代方案如何帮助公司应对其所面临的挑战。这些替代方案将提供一种更为灵活的方法，助力行业公司控制成本，同时保持生产灵活性，及时抓住稍纵即逝的市场机会。

半导体工业与摩尔定律

自19世纪早期发现第一批半导体材料后，接下来一个世纪的研究生产出了第一批半导体器件，包括用于无线电信号检测的整流器。自从20世纪40年代贝尔实验室的 William Shockley 及其团队发明了晶体管之后，半导体行业发展速度迅速加快，并自此以后，一直保持着不懈的发展步伐。

1958年，Jack Kilby（德州仪器公司的员工）展示了他的集成电路（IC）的原型。集成电路的特点是使用由相同半导体材料制成的一个晶体管和若干无源元件，并用导线连接在一起。随着 IC 的诞生，电子系统变得更小、更便宜、更节能。

尽管源于 Kilby 原型的 IC 器件为电子系统小型化提供了可能方式，但仍然很难制造。这些问题在1960年得到了解决，当时（飞兆半导体公司）的 Robert Noyce 获得了“平面制程”的专利，通过这种工艺，将不同功能的元件（包括各元件之间的互连）堆焊在连续的沉积层中，可以大批量制造集成电路。基于硅（Si）的 IC 的大规模生产成为电子技术发展的真正转折点。

集成电路器件变得越来越复杂，而滚雪球式的需求带来了更大的规模经济。这样就降低了单位生产的相关成本，从而降低了客户的价格。

通过推断 IC 生产最初几年的发展状况，Gordon Moore（他和诺伊斯一起创立了英特尔公司）做出了大胆预测，即众所周知的“摩尔定律”。他表示，计算机芯片中的晶体管数量将每两年翻一番，同时，相关的成本则会减半，这一观点至今仍然适用。

图2. 半导体发展时间线

摩尔定律提供了一个标杆，在过去50年里推动了半导体行业创新，同时推动各公司不断探索新的设计和制造方法。这种不断的迭代和改进伴随着半导体行业“繁荣”和“萧条”的周期性循环，因为对新一代技术的需求首先会超过当前供应，导致生产过剩。半导体行业面临的关键挑战是，在不过度投资的情况下，满足当前不断加速发展的需求。这就需要在投资下一代技术的同时满足发展需求，以在未来五十年及更长时间内延续摩尔定律的效用。

半导体测试方式的改变

自60年前提出最初概念以来，IC 的设计和制造取得了巨大进步。目前，最先进的图形处理单元（GPU）芯片可包含超过500亿个晶体管栅极。而 Kilby 的初始 IC 原型中只包含有一个晶体管栅极。

虽然第一个 IC 出现在60多年前，但芯片制造商的目标自此时起就很少改变。通过利用最新的技术进步，制造商必须持续生产不断提高性能的器件。每一代新器件都需要提供更多的功能，减小 PCB 占用面积，并降低功耗。

据估计，2021年半导体行业的年度研发（R&D）总支出将超过 710 亿美元（资料来源：IC Insights），比上一年增长了4%。不出所料，英特尔和三星是其中的最大支出者（两者的总支出额接近 200 亿美元），而英伟达、联发科和 AMD 也名列前十之内。

并且，目前还没有放缓的迹象，总体支出额度将继续攀升，预计到2025年投资额将超过 890 亿美元。

生产线和研发实验室中使用的测试设备占到前面所述的研发投资的一大部分，因此半导体制造商需要明智地做出预算，以便确保从中获得最大收益。不幸的是，事情并不总是按照最佳预期来发展的。

市场分析咨询公司 Frost and Sullivan 汇编的数据表明，科技公司的测试设备的有效利用时间可能只占到约20%。像这样的低利用率表明，这些公司的库存管理和设备采购实践并不是最优的。因此，越来越多的公司正在寻求从他们的测试和测量库存和运营活动中获得更大的价值。

图3. 测试工程师的设备优先级

了解混合设备采购方案

虽然大多数半导体制造商仍然会选择购买所需的测试设备，而这种情形主要是出于习惯，而不是通过对可用方案进行仔细评估后做出的选择。研发和质量保证经理越来越担心公司测试成本的上升，以及不确定未来将采用何种技术，半导体行业的公司迫切需要重新考量他们的采购方案。

以下情景着重说明了当前的一些市场挑战，并举例说明公司深思熟虑的采购解决方案如何帮助克服这些挑战。

1. 满足突然增加的需求

如果由于 OEM 需求原因，生产厂商需要突然提高产量，就需要额外的设备。但这种需求可能无法持续，因此可能会导致相关设备变得多余。在经历了多年的行业周期性繁荣和萧条之后，制造商必须做好充分准备，在随着产品获得商业吸引力而扩大生产规模的同时，需要保护自己免受过度投资的风险。租赁等更灵活的设备采购解决方案有助于降低过度投资风险。

2. 管理受限预算

越来越多的无晶圆厂初创公司需要像规模更大的同行企业一样，能够测试和表征他们的器件产品。但由于可用资本有限，这些公司面临着更大的财务限制。因此，避免大量前期投资的测试设备策略需求不仅仅是可取的，而且是绝对必要的。IC 设计公司也是如此，因为这类公司的规模相对较小，工作也具有较大可变性，他们通常需要在项目之间进行转换，并且每个项目都有自己独特的测试要求。在这些情况下，设备租赁成为一个极具吸引力的选择，也是分散成本来适应融资周期的较佳财务解决方案。

3. 应对意外的测试需求

项目预算通常是预先确定的，但是在项目过程中测试需求可能会发生变化，这就需要额外的测试设备。而在项目开始后，很难获得此类测试设备的额外预算。这样可能会有损项目工程设计，扼杀创新。短期内从专业供应商处获得设备，即可获得完成运营预算资助项目所需的最新测试技术。这样就避免了可能阻碍项目进展的冗长的资本支出审批，以及购买未来可能不再需要的设备的财务负担。

4. 适应技术变革的步伐

各类新标准不断发布，尤其是需要支持的嵌入式接口和无线通信标准。购买的设备有可能很快过时。更具适应性的测试设备采购策略，即正确组合采购方案，包括设备租赁、二手设备购买及分散购买成本和风险的财务解决方案，能够促进研发活动更好地适应市场条件的任何变化。如此，半导体行业公司可运用灵活性来有效利用潜在业务机会，并且避免因过度投资而使自身陷入财务窘境。

在严峻的成本与物流压力下，半导体行业公司必须制定更符合其实际需求的测试设备采购策略。他们需要采用更多的采购灵活性，而不是坚持根据情况购买新设备的传统方法。如此，他们能够应对特定项目的需求，或者关注潜在的测试能力波动，而避免了因购买冗余测试设备而承担财务负担的风险。

还应注意的是，当前的芯片短缺现状正在影响 OEM 工程师开发先进系统解决方案的能力。为了防止生产停滞，避免错过业务机会，设计往往需要在短时间内返工。因此，半导体行业公司在测试过程中必须运用更大的灵活性，可以灵活地将现有设备更换为与新设计更相关的测试设备。

通过资产优化释放库存价值

除了改变设备采购方案，半导体行业公司还可通过更好地了解他们拥有的测试设备库存以及具体如何使用这些库存来提升资产效率。根据设备品牌、型号和关键规格相关的数据，以及设备当前位置、最近维护时间、校准状态等相关信息，公司可以做出更明智的采购决策。公司还可以调查设备利用率水平，使采购经理能够更容易地决定是否需要购买额外的设备。公司可以出售未使用的设备，以腾出现金投资于其他方面。

利用这些资产优化工具，许多客户能够将设备利用率提高一倍。在某些情况下，客户公司能够减少 70% 计划外设备采购，并且公司的员工花费在管理公司测试资产或搜索有即时需求的项目上的时间要少得多。公司还可以通过对设备库存的进一步了解来做出更好的采购决策。

器件表征、一致性测试是创新必备

在所有实时示波器中，Keysight Technologies Infiniium UXR 集成了功能最强大、技术最先进的模拟前端。这款仪器的可用带宽为 5 至 110 GHz，针对先进技术提供了一套全面的探测、分析应用和测量方案。采用领先的磷化铟芯片技术、定制薄膜多芯片模块封装和集成法拉第笼结构。并且可保证提供捕捉和测量当前和未来高带宽低压信号所需的速度、低噪声和高可靠性。

罗德与施瓦茨公司的 R&S® ZVA 网络分析仪适用于表征最新的 RF 收发器，是半导体测试工程师的宝贵工具。这款仪器的频率范围很宽，10MHz 至 110GHz，频率分辨率为 1Hz。载波中每个测试点的测量时间低于 3.5 µs，200 多个测试点的频率扫描可在 5 ms 内完成。这款仪器具有 140dB 动态范围，支持识别信号丢失的原因。

罗德与施瓦茨公司针对高通量一致性测试进行了优化，提供了 R&S® CMW500 宽带无线通信测试仪。这款仪器可用于检测蜂窝、 WLAN 和蓝牙芯片的运行参数，以确保符合必要的协议。并且还可用于验证集成到现代车辆设计中的 C-V2X 通信 IC 。

Keysight UXA 信号分析仪用于支持工程师在 5G、802.11ax/ay、卫星、雷达、电子战等领域表征当今最具挑战性的信号 — 快速跳频、宽带、瞬态信号。这款仪器具有业界领先的相位噪声和宽无杂散动态范围，可提供最具挑战性信号的更宽（高达 1 GHz）、更深视图。并可利用无间隙实时频谱分析捕捉间歇信号，利用改进的 DANL 低噪声路径捕捉低杂散信号。

结论

随着 IC 生产进入第七个十年，IC 的普及程度比以往任何时候都要高。半导体制造商在测试产品方面的投资占到其年度资本和运营成本中相当大的一部分。因此，必须以经济高效的方式进行测试，尽可能提高设备利用率，并将计划外采购和库存降至最低。

通过遵循基于谨慎组合的租赁、购买（新的和二手设备）和有效分摊成本的财务解决方案的综合测试设备采购策略，半导体公司可以适应任何可能发生的情况。随着相关测试标准的改变，可以很容易地使用最新的设备，然后替换为其他设备。这样就消除了多余购置不再需要的昂贵仪器的风险，并避免了不必要的持续运营成本（保险、财务还款、维护等）。

益莱储的全球设备库存价值超过 10 亿美元，客户可以直接从设备库存中获得数千种测试设备。并且可通过各种不同的方案获得测试设备。其中包括短期租赁、租购、运营租赁和先租后买方案，以及经过认证的二手设备。益莱储的测试设备具有即时可用性，即表明这些测试设备可以在短时间内部署应用到客户现有的工作流程中，因此，生产需求不会受到阻碍。益莱储团队随时准备帮助客户匹配到符合其技术要求的合适设备，并提供最合适的采购解决方案。

采取这种更加深思熟虑的设备采购方案，同时优化现有测试资产的利用，可以显著提高客户资产利用率，通常会提高40%以上。客户再也不需要为闲置的硬件预备资金。这种方案可以优化和降低测试费用，同时随着新设计更快进入市场，客户利润也会增加。此外，通过资产优化，客户将能够提高运营效率，提高生产率，减少浪费。以前无法获得的营运资本可以引导应用于客户公司的其他业务方面。

通过确保在需要时可获得所需的设备，工程师可以专注于他们最擅长的领域，发展创新，创造新的半导体器件，推动未来50年的发展。