隨著(zhù)芯片制程越來(lái)越小，其工藝難度也呈指數型上升。以10nm工藝為例，全工藝步驟數超過(guò)1300道，7nm工藝則超過(guò)1500道，其中任何一道工藝出錯都可能導致生產(chǎn)的集成電路不合格，拉低良品率。
因此，為了及時(shí)發(fā)現不穩定因素、提高生產(chǎn)良率，測試環(huán)節貫穿在集成電路的生產(chǎn)流程里，測試設備則是其中的關(guān)鍵。
本文來(lái)自長(cháng)江證券的半導體測試設備報告，詳解了半導體測試過(guò)程、設備分類(lèi)、以及國內外市場(chǎng)格局。
一、測試設備貫穿生產(chǎn)流程：探針臺、分選機、測試機
正如開(kāi)篇提及，集成電路工藝繁多復雜，其中任何一道工藝出錯都可能導致生產(chǎn)的集成電路不合格，拉低良品率。因此，測試環(huán)節對于集成電路生產(chǎn)而言至關(guān)重要。
集成電路測試設備不僅可用于判斷被測芯片或器件的合格性，同時(shí)還可提供關(guān)于設計、制造過(guò)程的薄弱環(huán)節信息，有助于提高芯片制造水平，從源頭提高芯片的性能和可靠性。
集成電路的測試環(huán)節，主要包括芯片設計中的設計驗證、晶圓制造中的晶圓測試（CP測試）和封裝完成后的成品測試（FT測試）。
集成電路測試設備主要包括測試機、探針臺和分選機。在所有的測試環(huán)節中都會(huì )用到測試機，不同環(huán)節中測試機需要和分選機或探針臺配合使用。
1、設計驗證階段：驗證芯片設計有效性，對測試設備需求少
芯片設計公司通常會(huì )使用半導體測試設備對晶圓或芯片樣品進(jìn)行測試，以驗證芯片樣品功能和性能的有效性，并指導芯片設計。設計驗證階段對測試設備需求較少。
2、晶圓測試階段：測試機+探針臺，測試晶圓，節省封裝成本
晶圓測試又稱(chēng)為CP測試，是指在晶圓制造完成后和進(jìn)行封裝前，通過(guò)探針臺和測試機配合使用，對晶圓上的每一個(gè)芯片晶粒進(jìn)行功能和電參數性能測試的過(guò)程，是晶圓制造的最后一道工序。晶圓測試一般在晶圓廠(chǎng)、封測廠(chǎng)或專(zhuān)門(mén)的測試代工廠(chǎng)進(jìn)行，主要用到的設備為測試機和探針臺，此外還有定制化的測試電路板和探針卡，探針卡上裝有探針。
晶圓測試過(guò)程：首先將探針卡固定到測試電路板上，然后把測試電路板安裝到測試機的機頭上，再將測試機頭倒置于探針臺上。探針臺上部有孔供探針卡插入。一旦安裝完畢，測試機、測試電路板、探針卡和探針臺都固定不動(dòng)，探針臺內部的機械手臂控制晶圓移動(dòng)，并將每一顆芯片晶粒上的接觸孔對準探針，然后向上頂使探針準確插入晶粒的接觸孔，最后完成測試。
接觸孔的直徑通常都是1-2um級別，因此，晶圓測試對探針臺的精度要求非常高，如果稍有偏差，探針將有較大可能扎壞晶圓，因此，探針臺的技術(shù)難度較大。
晶圓測試的目的是把好的和壞的晶粒分別挑出來(lái)，并進(jìn)行標記形成晶圓的Map圖，此后只對性能良好的晶粒進(jìn)行封裝，以節省后續的封裝成本。
3、成品測試階段：測試機+分選機，測試芯片，提高良率
封裝測試又稱(chēng)為FT測試或終測，一般在封測廠(chǎng)完成，是指芯片完成封裝后，通過(guò)分選機和測試機配合，對每一顆芯片進(jìn)行電參數性能測試，保證出廠(chǎng)的每顆集成電路的功能和性能指標能夠達到設計規范要求，目的在于提高出廠(chǎng)芯片良率。封裝測試主要用到測試機和分選機，此外還有定制化的測試電路板和底座。
成品測試的過(guò)程：分選機將待測芯片逐個(gè)自動(dòng)傳送并放入測試底座。底座和測試電路板把芯片的引腳與測試機的測試板卡連接，測試機對集成電路施加輸入信號、采集輸出信號，判斷集成電路在不同工作條件下功能和性能的有效性。最后，測試結果通過(guò)通信接口傳送給分選機，分選機據此對被測試的集成電路進(jìn)行標記、分選、收料或編帶。
成品測試的目的是把好的和壞的芯片分別挑出來(lái)，只有好的芯片才會(huì )被銷(xiāo)售給終端客戶(hù)，以保證芯片出貨時(shí)的良率。
二、測試機定制化，探針臺、分選機通用測試機、探針臺、分選機所應用的環(huán)節并不相同，其技術(shù)難度也各有差異。測試機屬于定制化設備，探針臺、分選機則更加通用。
1、測試機由機身和內部的測試板卡構成，均由測試機廠(chǎng)設計和制造。
測試機機身是一種標準化的設備，內部可以插入不同的測試板卡。測試機廠(chǎng)會(huì )設計出一系列的測試板卡，每一種測試板卡可以滿(mǎn)足對某些功能的測試，測試廠(chǎng)在做芯片測試的時(shí)候，需要根據芯片的功能特性選擇不同的測試板卡進(jìn)行搭配。
此外，每一種芯片都需要編寫(xiě)一套特有的測試程序。因此，測試機的定制性主要體現在測試板卡的定制和測試程序的定制。當一款芯片更新?lián)Q代時(shí)，測試機的機身不需要更換，內部的測試板卡則會(huì )根據接下來(lái)要測試的芯片做調整，測試程序則一定需要更新。
2、探針臺和分選機則是相對通用設備，適用范圍較廣。
探針臺主要根據晶圓尺寸選型，分選機主要根據芯片封裝方式和測試并行度要求選型。不同的晶圓和芯片，通常不需要對探針臺和分選機做太大改動(dòng)。
測試行業(yè)尤其是測試機行業(yè)，更多的工作是軟件的編寫(xiě)，包括底層的對設備的控制程序，和上層的對芯片的測試程序。
底層的控制程序類(lèi)似于操作系統，不同品牌的測試機的控制系統不同，而上層的測試程序類(lèi)似于應用軟件，在該種測試機的控制系統的基礎上編寫(xiě)，每一款芯片都有自己定制化的測試程序。
測試機、探針臺和分選機三類(lèi)測試設備的技術(shù)難度對比來(lái)看，測試機和探針臺技術(shù)難度相較分選機而言更高。
測試機、探針臺和分選機三者為獨立銷(xiāo)售的設備，測試機、探針臺和分選機生產(chǎn)廠(chǎng)商在研發(fā)時(shí)均已考慮了不同廠(chǎng)商產(chǎn)品之間搭配使用的可行性，在產(chǎn)品和連接線(xiàn)設置上均有行業(yè)通用接口，可實(shí)現不同廠(chǎng)商不同類(lèi)型設備的搭配組合，無(wú)須從同一廠(chǎng)商配套采購。
但在實(shí)際采購設備時(shí)，測試設備的定制化屬性決定了該行業(yè)特殊的業(yè)務(wù)模式，即通用設備通常由晶圓廠(chǎng)和封測廠(chǎng)自行決定采購，而定制化設備則由芯片設計公司主導設備品牌的選擇：
1）探針臺和分選機屬于通用設備，通常由晶圓廠(chǎng)或封測廠(chǎng)自主采購；
2）測試機、探針卡、測試電路板和底座均屬于定制化設備，由芯片設計公司根據自己芯片的特點(diǎn)指定供應商，再由晶圓廠(chǎng)和封測廠(chǎng)進(jìn)行采購。封測廠(chǎng)和晶圓廠(chǎng)自主決定購買(mǎi)的定制設備相對較少。
三、測試設備難度較低，有里率先突破國際壁壘
集成電路設備主要包括硅片制造設備、晶圓加工處理設備、封裝設備和測試設備等，由于集成電路制造工序復雜、流程較長(cháng)，不同環(huán)節所需設備各不相同，且技術(shù)難度及價(jià)值量也存在明顯差異。
總體而言，光刻機、刻蝕機等晶圓加工處理設備技術(shù)壁壘更高、難度更大，由全球少數幾家巨頭壟斷。而測試設備的技術(shù)門(mén)檻相對稍低，國產(chǎn)測試設備有望在各種半導體設備中率先突圍。
從半導體設備分產(chǎn)品市場(chǎng)規模占比情況來(lái)看，半導體設備所占市場(chǎng)份額與技術(shù)難度基本成正比，技術(shù)難度更高的產(chǎn)品享有更高市場(chǎng)溢價(jià)。晶圓處理設備占比最大，原因在于在集成電路制造、封裝、測試等環(huán)節中，晶圓制造工藝最為復雜、工序最多、技術(shù)壁壘最高，設備成本也更高。
2018年晶圓處理設備、封裝設備、測試設備和其他設備的市場(chǎng)規模分別約為502、54、40和25億美元，市場(chǎng)規模占比分別約為80.8%、8.7%、6.4%和4.0%。
目前，全球集成電路先進(jìn)測試設備制造技術(shù)基本掌握在美國、日本等集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)達國家的廠(chǎng)商手中。
在測試機市場(chǎng)，美國泰瑞達（Teradyne）和日本愛(ài)德萬(wàn)（Advantest）為雙巨頭，合計占據了測試機市場(chǎng)80%以上份額，且近年份額呈現不斷提升趨勢。
探針臺技術(shù)壁壘較高，市場(chǎng)也處于雙強壟斷態(tài)勢，東京電子和東京精密兩家日本公司占據了絕大部分市場(chǎng)份額。
分選機技術(shù)難度相對較低，目前沒(méi)有在技術(shù)上絕對領(lǐng)先或在市場(chǎng)份額上處于絕對壟斷地位的龍頭，競爭格局相對較為分散，主要的參與者包括美國Cohu、日本EPSON、日本愛(ài)德萬(wàn)、新加坡STI、中國臺灣的鴻勁和中國大陸的長(cháng)川科技等?；赝麌鴥?，目前國內的測試設備企業(yè)長(cháng)川科技、北京華峰、佛山聯(lián)動(dòng)、北京冠中等已經(jīng)取得一定突破，進(jìn)入了長(cháng)電科技、華天科技、通富微電、日月光等海內外知名封測廠(chǎng)。
國內廠(chǎng)商在分立器件測試機、模擬測試機和分選機等中低端領(lǐng)域實(shí)現或部分實(shí)現了國產(chǎn)替代，并在數字測試機、探針臺等難度較大的測試設備領(lǐng)域已有布局，但探針臺和高端測試機依舊由海外龍頭壟斷。
在近來(lái)中美貿易摩擦背景下，半導體設備的國產(chǎn)替代進(jìn)程或將加速，遵循先易后難的邏輯，國產(chǎn)測試設備有望在各種半導體設備中率先崛起。
四、測試設備需求攀升，大陸封測產(chǎn)業(yè)發(fā)達測試設備通常壽命較長(cháng)，更新需求較少，最主要的需求是新增需求。影響測試設備新增需求的四大因素包括下游芯片需求、芯片復雜度、半導體產(chǎn)業(yè)轉移和測試的并行度。其中最核心的影響因素是下游芯片需求和芯片復雜度。
近年來(lái)，芯片的復雜度不斷攀升，測試設備的需求受芯片復雜度提升和下游景氣度波動(dòng)雙重影響。
2015年至2018年，隨著(zhù)半導體產(chǎn)業(yè)景氣度上升，全球半導體測試設備銷(xiāo)售額迅速增長(cháng)，至2018年達到約54億美元。
2018年下半年來(lái)，全球半導體產(chǎn)業(yè)景氣度有所下滑，預計2019年測試設備市場(chǎng)需求同比2018年略有下滑，全球市場(chǎng)空間預計超過(guò)50億美元。
隨著(zhù)供應鏈去庫存、5G需求拉動(dòng)等因素，預計2020半導體產(chǎn)業(yè)景氣度將恢復，半導體測試設備市場(chǎng)空間有望超過(guò)60億美回望中國。近年來(lái)，中國大陸半導體設備市場(chǎng)需求增長(cháng)迅速，據SEMI預測，2019年中國大陸半導體設備市場(chǎng)在全球占比或達約20%。
分產(chǎn)品來(lái)看，2019年中國大陸數字測試機市場(chǎng)空間約30~35億人民幣，存儲器測試機市場(chǎng)空間約8~9億人民幣，模擬測試機市場(chǎng)空間約5~6億人民幣，分選機和探針臺市場(chǎng)空間則各約9至10億人民幣。
五、行業(yè)競爭激烈，國產(chǎn)替代加速
測試設備市場(chǎng)近年來(lái)競爭日趨激烈，行業(yè)整合加速。
2011年愛(ài)德萬(wàn)收購惠瑞捷，高端測試機市場(chǎng)形成了泰瑞達和愛(ài)德萬(wàn)雙家頭壟斷局面。而泰瑞達和愛(ài)德萬(wàn)之外的測試機公司，則在中低端市場(chǎng)競爭激烈，相互之間不斷整合。LXT、Credence、ECT和Multitest經(jīng)過(guò)一系列合并、并購整合，成為全球第三大測試機公司Xcerra，但收入體量仍與泰瑞達和愛(ài)德萬(wàn)差距較大，2018年Cohu收購了Xcerra。而從2018年以來(lái)，國產(chǎn)半導體測試設備向中國大陸外市場(chǎng)拓展和在中國大陸市場(chǎng)的國產(chǎn)替代進(jìn)程均明顯提速。
國產(chǎn)替代進(jìn)程提速是因為中國本土芯片設計公司近年來(lái)蓬勃發(fā)展，對芯片測試的需求增長(cháng)迅速，但受中美貿易摩擦影響，供應鏈的安全日益受到重視，國產(chǎn)測試設備將得到更多的試用機會(huì )，在中低端模擬測試機和分選機領(lǐng)域，國產(chǎn)替代明顯提速。國產(chǎn)測試設備加速海外拓展，短期因素，是近期中國大陸封測廠(chǎng)設備采購支出低迷；長(cháng)期因素，是國產(chǎn)設備在模擬、電源等細分領(lǐng)域技術(shù)實(shí)力增強，逐步參與全球競爭。
自2018H2以來(lái)，國內封測產(chǎn)業(yè)投資低迷，設備采購支出葵縮，促使國產(chǎn)測試設備公司加速向海外擴張。
北京華峰的模擬測試機早年已在中國臺灣和東南亞展開(kāi)銷(xiāo)售，并在美國、日本、意大利設立辦事處，目前海外收入占比已超過(guò)30%。
長(cháng)川科技在中國香港和日本設立子公司，并在中國臺灣設立辦事處，加快公司國際化步伐，推廣其模擬測試機和分選機產(chǎn)品，收購新加坡分選機制造公司STI已獲證監會(huì )通過(guò)，進(jìn)一步進(jìn)軍東南亞市場(chǎng)。佛山聯(lián)動(dòng)在電源管理和大功率分立器件測試方面技術(shù)不錯，測試機已經(jīng)進(jìn)入東南亞封測廠(chǎng)。
長(cháng)期來(lái)看，半導體封測產(chǎn)業(yè)持續向中國大陸轉移，特別是東南亞的封測代工廠(chǎng)，近幾年隨著(zhù)中國封測產(chǎn)業(yè)高速增長(cháng)，東南亞部分封測廠(chǎng)運營(yíng)困難，因此逐漸被收購。中國封測廠(chǎng)去東南亞收購封測產(chǎn)能也成為了趨勢。
測試設備貫穿芯片制造的整個(gè)流程，對于確保芯片的性能和可靠性至關(guān)重要。在半導體制造工藝日益復雜的當下，完備的測試設備流程能夠及時(shí)發(fā)現不穩定因素、提高生產(chǎn)良率。
與晶圓加工制造相比，我國大陸的封測產(chǎn)業(yè)較為成熟，長(cháng)電科技、天水華天、通富微電等都在近年來(lái)取得了不俗的市場(chǎng)成績(jì)，這也導致了國內市場(chǎng)對于封測設備需求增加。
在中美貿易摩擦背景下，國產(chǎn)測試設備有望在各種半導體設備中率先崛起，進(jìn)一步加快國產(chǎn)化突圍的步伐。
