2022年半導(dǎo)體測(cè)試機(jī)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模及護(hù)城河分析

1、2022年半導(dǎo)體測(cè)試機(jī)行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模及護(hù)城河分析1.半導(dǎo)體測(cè)試機(jī)：軟硬件一體的后道檢測(cè)核心設(shè)備半導(dǎo)體檢測(cè)可分為前道量測(cè)和后道檢測(cè)，后道檢測(cè)以封裝為界分為晶圓檢測(cè)和成品測(cè)試： 前道量測(cè)主要發(fā)生在晶圓加工環(huán)節(jié)，目的是檢查每一步制造工藝后晶圓產(chǎn)品的加工參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)的要求或者存在 影響良率的缺陷，偏向于物理性的質(zhì)量檢測(cè)；主要設(shè)備包括光學(xué)測(cè)量設(shè)備、缺陷檢測(cè)設(shè)備以及厚膜測(cè)量設(shè)備。 后道檢測(cè)是指晶圓加工之后、封裝之前的晶圓檢測(cè)和封裝之后的成品測(cè)試，目的是檢查芯片的性能是否符合要求，偏 向于電性能的檢測(cè)；主要設(shè)備包括測(cè)試機(jī)、分選機(jī)、探針臺(tái)，其中測(cè)試機(jī)（ATE）是晶圓測(cè)試和成品測(cè)試環(huán)節(jié)都需要 使用的核心設(shè)備，

2、因此需求最大，市場(chǎng)規(guī)模占整個(gè)后道檢測(cè)設(shè)備的 63%，分選機(jī)和探針臺(tái)分別占 17%、15%。晶圓檢測(cè)（CP，circuit probing test）所需設(shè)備為測(cè)試機(jī)、探針臺(tái)，目的是確保在芯片封裝前，盡可能把無(wú)效芯片 篩選出來(lái)節(jié)省封裝費(fèi)用。其測(cè)試過(guò)程為：探針臺(tái)將晶圓逐片自動(dòng)傳送至測(cè)試位置，芯片的焊盤(pán)（PAD）通過(guò)探針、專(zhuān) 用連接線與測(cè)試機(jī)的功能模塊進(jìn)行連接，測(cè)試機(jī)對(duì)芯片施加輸入信號(hào)、采集輸出信號(hào)，判斷芯片在不同工作條件下功 能和性能的有效性。測(cè)試結(jié)果通過(guò)通信接口傳送給探針臺(tái)，探針臺(tái)據(jù)此對(duì)芯片進(jìn)行打點(diǎn)標(biāo)記，形成晶圓的 Map 圖， 根據(jù) Map 圖進(jìn)行下一步的切割和封裝。CP 測(cè)試是封裝前的最后一

3、道防線，通過(guò)測(cè)試的晶圓將進(jìn)入封裝切割環(huán)節(jié)，因 此 CP 檢測(cè)的結(jié)果直接影響芯片 FT 測(cè)試環(huán)節(jié)的良品率。成品測(cè)試（FT，final test）所需設(shè)備為測(cè)試機(jī)、分選機(jī)，目的是保證出廠的每顆集成電路的功能和性能指標(biāo)能夠達(dá) 到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。其測(cè)試過(guò)程為：分選機(jī)將被檢測(cè)集成電路逐個(gè)自動(dòng)傳送至測(cè)試工位，被測(cè)芯片的引腳通過(guò)測(cè)試工位 上的基座、專(zhuān)用連接線與測(cè)試機(jī)的功能模塊進(jìn)行連接，測(cè)試機(jī)對(duì)芯片施加輸入信號(hào)并采集輸出信號(hào)，判斷芯片功能和 性能在不同工作條件下是否達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范要求。測(cè)試結(jié)果通過(guò)通信接口傳送給分選機(jī)，分選機(jī)據(jù)此對(duì)被測(cè)芯片進(jìn)行標(biāo) 記、分選、收料或編帶。不同于探針臺(tái)和分選機(jī)，測(cè)試機(jī)軟件系統(tǒng)占比更大。

4、測(cè)試機(jī)的主要組成部分是： 1）以測(cè)試頭、機(jī)械手等為基礎(chǔ)組成通用測(cè)試儀器硬件系統(tǒng)； 2）實(shí)現(xiàn)測(cè)試/測(cè)量任務(wù)以及系統(tǒng)升級(jí)的軟件系統(tǒng)。 因此測(cè)試機(jī)體現(xiàn)了以軟件控制、功能組合方式實(shí)現(xiàn)的合成儀器自動(dòng)測(cè)試技術(shù)，硬件成本占比低。而探針臺(tái)和分選機(jī)是普遍適用的通用性工藝裝備，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)械方面的功能，不涉及軟件的定制開(kāi)發(fā)，硬件成本占比更高。以 2018 年數(shù) 據(jù)為例，主營(yíng) ATE 測(cè)試系統(tǒng)的華峰測(cè)控直接材料占總營(yíng)收比重為 12.3%，主營(yíng)測(cè)試分選機(jī)的金海通直接材料占總營(yíng) 收比重達(dá)到了 32.9%，二者直接材料占總成本的比重分別為 71.1%、76.2%。測(cè)試機(jī)與分選機(jī)之間、測(cè)試機(jī)與探針臺(tái) 之間通過(guò)行業(yè)通用接口進(jìn)行

5、數(shù)據(jù)連接和信號(hào)傳輸，不同品牌的設(shè)備可搭配使用，使用方不需要配套采購(gòu)。2.半導(dǎo)體測(cè)試機(jī)細(xì)分產(chǎn)品多，22 年全球市場(chǎng)規(guī)模約47億美元按照測(cè)試領(lǐng)域，ATE 可細(xì)分為 SoC、存儲(chǔ)器、RF、分立器件、模擬、數(shù)?；旌蠝y(cè)試機(jī)。SoC 測(cè)試機(jī)：由于集成了多種功能的 IP 核，對(duì)板卡的速度、精度、向量深度、調(diào)試工具、軟件等要求都非常高。 SoC（System on Chip）芯片又稱(chēng)系統(tǒng)級(jí)芯片或片上系統(tǒng)，主要是將系統(tǒng)關(guān)鍵部件集成在一塊芯片上，實(shí)現(xiàn)完整 系統(tǒng)功能。一塊 SoC 芯片不僅包含 CPU、DSP，還包含存儲(chǔ)器、模擬電路甚至射頻電路，因而作為一臺(tái) SoC 的測(cè)試系統(tǒng)，具備數(shù)字、混合信號(hào)、存儲(chǔ)器、射頻測(cè)試

6、是前提條件，同時(shí)各個(gè)模塊之間又需要相互不受影響，這 對(duì)測(cè)試系統(tǒng)提出了相當(dāng)高的要求。此外，由于 SoC 的關(guān)鍵構(gòu)成是 IP 核，當(dāng)核被集成到系統(tǒng)內(nèi)部后，很難通過(guò)系 統(tǒng)的輸入對(duì)內(nèi)部核施加有效的測(cè)試數(shù)據(jù)，并從系統(tǒng)的輸出捕獲內(nèi)部核的響應(yīng)，因此 SoC 測(cè)試機(jī)難度非常高，需 要持續(xù)研發(fā)以適應(yīng)高端芯片的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，單臺(tái)設(shè)備價(jià)格在 25-150 萬(wàn)美元之間。存儲(chǔ)器測(cè)試機(jī)：系統(tǒng)、軟件、算法、調(diào)試工具系統(tǒng)龐大冗雜，對(duì)新的存儲(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)需要持續(xù)的研發(fā)投入，技術(shù)難度大。 存儲(chǔ)器芯片是半導(dǎo)體存儲(chǔ)產(chǎn)品的核心，是電子系統(tǒng)中負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的核心硬件單元，主要包括 DRAM、NOR Flash、 NAND Flash 三類(lèi)，性能

7、指標(biāo)包括容量、操作速度、頻帶寬度、功耗體積、組裝密度、可靠性和信息的可保持性 等。與其他芯片相比，存儲(chǔ)器芯片的測(cè)試更關(guān)注打擾、預(yù)充及譯碼等，確保芯片不包含存儲(chǔ)單元短路/開(kāi)路、相 鄰單元短路/開(kāi)路、存儲(chǔ)單元干擾等錯(cuò)誤。隨著存儲(chǔ)器接口速率不斷提高、讀寫(xiě)性能和存儲(chǔ)容量不斷提升，測(cè)試設(shè)備面臨著更大的挑戰(zhàn)，需要滿足并測(cè)數(shù)增多、測(cè)試速率提高、測(cè)試項(xiàng)更復(fù)雜、功率密度增大等需求。RF 測(cè)試機(jī)：核心射頻板卡的研發(fā)難度大，但軟件和系統(tǒng)方面的復(fù)雜度比 SoC 測(cè)試機(jī)低。射頻芯片是將射頻信號(hào) 和數(shù)字信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)化的芯片，同時(shí)包含一個(gè)發(fā)射器和接收器，分別用于發(fā)送和接收信號(hào)，接收器的功能基本上是 發(fā)送器的反向過(guò)程。射頻芯片

8、的主要測(cè)試指標(biāo)為駐波、插損、中心頻率、帶寬、帶內(nèi)波動(dòng)、帶外抑制、群時(shí)延等， 測(cè)試難點(diǎn)在于：1）被測(cè)器件越來(lái)越小，測(cè)試頻率越來(lái)越高，許多器件尺寸小于 1mm，而測(cè)試頻率要高達(dá) 40GHZ 以上；2）量測(cè)精度要求非常高，板卡的研發(fā)難度大。分立器件測(cè)試機(jī)：僅 IGBT 等大功率器件和第三代半導(dǎo)體器件有一定難度。分立器件是指在可直接用于處理電能 的主電路中，實(shí)現(xiàn)電能的變換或控制的電子器件，其作用主要是功率轉(zhuǎn)換、功率放大、功率開(kāi)關(guān)、線路保護(hù)和整 流等，按照功率、電流指標(biāo)劃分為小信號(hào)器件和功率器件。小信號(hào)器件由于價(jià)值相對(duì)較低，測(cè)試項(xiàng)目較為穩(wěn)定， 通過(guò)提升測(cè)試效率降低測(cè)試成本是最主要的考量因素；大功率器件和

9、第三代半導(dǎo)體在高壓和大電流參數(shù)等方面要 求較高，除了常規(guī)直流參數(shù)以外，還需要進(jìn)行包括雪崩測(cè)試、熱阻測(cè)試、TRR 測(cè)試、RG 測(cè)試、QG 測(cè)試、導(dǎo)通 電阻（DRDSON）測(cè)試、IGBT 開(kāi)關(guān)時(shí)間測(cè)試等動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)試，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)能力、電源控 制能力、電流電壓過(guò)載保護(hù)能力、信號(hào)抗干擾能力、測(cè)試精度和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)要求較高，相對(duì)有一定難度。模擬芯片測(cè)試機(jī)：難度相對(duì)不高。模擬芯片的主要作用是產(chǎn)生、放大和處理連續(xù)函數(shù)形式的模擬信號(hào)，如聲音、 光線、溫度等，數(shù)?；旌闲酒侵篙斎肽M或數(shù)字信號(hào)，輸出為數(shù)字或模擬信號(hào)的集成電路。模擬測(cè)試板卡不需 要復(fù)雜的 FPGA、ASIC 定制芯片，對(duì)速度，算法，

10、向量深度，協(xié)議軟件和調(diào)試工具要求均不高，只需要最基本 的少量數(shù)字通道和矢量深度，所需要的協(xié)議和調(diào)試工具也只有幾種，技術(shù)門(mén)檻最低。據(jù)測(cè)算，22 年全球 ATE 市場(chǎng)規(guī)模約 47.1 億美元，中國(guó)大陸約 11.08 億美元。根據(jù) 2018 年各細(xì)分產(chǎn)品的市占率及 VLSI 與 SEMI 對(duì) 2020-2025 年半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模的估計(jì)，我們假設(shè)：1）后道測(cè)試設(shè)備中測(cè)試機(jī)約占 60%；2） 測(cè)試機(jī)中數(shù)字、存儲(chǔ)器、射頻、分立器件、模擬及數(shù)模混合領(lǐng)域市占率分別約為 58%、25%、1%、1%、15%；3） 測(cè)試機(jī)需求結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。測(cè)算得到，2021-2023 年全球測(cè)試機(jī)市場(chǎng)規(guī)模從 44.8 億美

11、元增長(zhǎng)至 53.1 億美元，2024 年小幅下滑至 49.2 億美元，2025 年再次回升至 51 億美元。其中數(shù)字測(cè)試機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模在 2021-2025 年間的波動(dòng)范 圍是 26-30.8 億美元，存儲(chǔ)器測(cè)試機(jī)、射頻測(cè)試機(jī)、分立器件測(cè)試機(jī)、模擬及數(shù)?；旌蠝y(cè)試機(jī)的波動(dòng)范圍分別是 11.2-13.3、0.4-0.53、0.49-0.53、6.72-7.97 億美元。中國(guó)大陸 2020 年半導(dǎo)體產(chǎn)品需求結(jié)構(gòu)整體上與全球市場(chǎng)接近，但供給方面，數(shù)字芯片國(guó)產(chǎn)化率相對(duì)其他細(xì)分產(chǎn)品更 低，更依賴(lài)進(jìn)口，因此我們假設(shè)：1）我國(guó)半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備占全球比重將增長(zhǎng)至 25%；2）測(cè)試機(jī)中數(shù)字、存儲(chǔ)器、 射頻、分立器件、

12、模擬及數(shù)?；旌项I(lǐng)域市占率分別約為 41%、35%、2%、2%、20%。測(cè)算得到，2021-2023 年中國(guó) 大陸測(cè)試機(jī)市場(chǎng)規(guī)模從 10.01 億美元增長(zhǎng)至 12.74 億美元，2024 年小幅下滑至 12.3 億美元，2025 年再次回升至 12.75 億美元。其中數(shù)字測(cè)試機(jī)的市場(chǎng)規(guī)模在 2021-2025 年間的波動(dòng)范圍 4.07-5.21 億美元，存儲(chǔ)器測(cè)試機(jī)、射頻測(cè)試機(jī)、3.半導(dǎo)體測(cè)試機(jī)市場(chǎng)高度集中全球半導(dǎo)體測(cè)試系統(tǒng)行業(yè)由海外制造商主導(dǎo)，市場(chǎng)高度集中，2020 年 CR4 接近 90%。第一梯隊(duì)為泰瑞達(dá)（Teradyne） 與愛(ài)德萬(wàn)（Advantest），二者產(chǎn)品線齊全，在存儲(chǔ)器、數(shù)字、

13、SoC、模擬及數(shù)?；旌蠝y(cè)試系統(tǒng)均有所布局，愛(ài)德萬(wàn) 在存儲(chǔ)器測(cè)試機(jī)上更強(qiáng)，泰瑞達(dá)在 SoC 測(cè)試機(jī)領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)，2020 年泰瑞達(dá)和愛(ài)德萬(wàn)合計(jì)市場(chǎng)占有率超過(guò) 75%。第 二梯隊(duì)為科休（Cohu）和美國(guó)國(guó)家儀器（NI），科休在 SOC 測(cè)試機(jī)和 RF 測(cè)試機(jī)具有一定競(jìng)爭(zhēng)力，同時(shí)是高端三溫 型分選機(jī)領(lǐng)域的領(lǐng)先廠商；NI 的主要產(chǎn)品為 RF 測(cè)試機(jī)，憑借其高性價(jià)比優(yōu)勢(shì)廣泛用于射頻前端芯片測(cè)試，2020 年 科休和 NI 的市占率分別為 9%、4%。國(guó)產(chǎn)模擬及分立器件測(cè)試機(jī)已實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。1983 年，我國(guó)正式開(kāi)始國(guó)產(chǎn) ATE 測(cè)試系統(tǒng)研制，彼時(shí)國(guó)外先進(jìn)廠商已 經(jīng)研制出超大規(guī)模集成電路（VLSI）測(cè)試系

14、統(tǒng)，而當(dāng)前國(guó)內(nèi)主要的 ATE 廠商到 20 世紀(jì) 90 年代才開(kāi)始陸續(xù)成立，因 此我國(guó)企業(yè)進(jìn)入市場(chǎng)較晚，技術(shù)上有明顯差距。經(jīng)過(guò)多年的研發(fā)投入和技術(shù)迭代，以華峰測(cè)控為首的國(guó)內(nèi)企業(yè)在模擬、 數(shù)模混合、分立器件測(cè)試機(jī)領(lǐng)域打破了國(guó)外廠商的壟斷地位，自給率達(dá)到 85%。2021 年國(guó)內(nèi)模擬及數(shù)?；旌蠝y(cè)試機(jī) 市場(chǎng)規(guī)模約 2 億美元，華峰測(cè)控市占率達(dá)到 50-60%。但在難度更高的 SoC、存儲(chǔ)器、RF 測(cè)試機(jī)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)尚無(wú)成 熟產(chǎn)品取得突破，自給率均在 5%以下，合計(jì)存在約 60 億元的替代空間。模擬及分立器件測(cè)試機(jī)率先實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代的原因主要有二： 1）技術(shù)上更易突破。不同于數(shù)字芯片，模擬芯片對(duì)制程的要求

15、不高，更依賴(lài)人工設(shè)計(jì)和經(jīng)驗(yàn)積累，細(xì)分品類(lèi)多，生 命周期長(zhǎng)，全球模擬芯片龍頭德州儀器能夠提供超過(guò) 80000 種模擬芯片產(chǎn)品，其 1979 年推出的音頻運(yùn)算放大器 NE5532 至今還在銷(xiāo)售，產(chǎn)品壽命已經(jīng)超過(guò) 40 年。分立器件也具有相似的特點(diǎn)，技術(shù)迭代相對(duì)緩慢，MOSFET/IGBT 等芯片設(shè)計(jì)架構(gòu)基本成型，因此，模擬芯片和分立器件的測(cè)試需求較穩(wěn)定。疊加這兩類(lèi)測(cè)試機(jī)的技術(shù)難度相對(duì)較低， 國(guó)內(nèi)企業(yè)更容易實(shí)現(xiàn)技術(shù)上的突破，而數(shù)字芯片遵循摩爾定律，迭代快，測(cè)試機(jī)也需要根據(jù)新產(chǎn)品、新標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行升級(jí)， 對(duì)于積累較少的企業(yè)來(lái)說(shuō)難度更大。2）分享下游封測(cè)廠的黃金成長(zhǎng)期。集成電路的制造分為設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)三個(gè)環(huán)

16、節(jié)，封測(cè)環(huán)節(jié)壁壘最低，偏勞動(dòng)密 集型，是我國(guó)半導(dǎo)體發(fā)展最早、取得突破最多的環(huán)節(jié)，因此進(jìn)口替代進(jìn)程最快。本土三強(qiáng)封測(cè)廠（長(zhǎng)電科技、通富微 電、華天科技）在國(guó)內(nèi)的市占率不斷提升，2004-2008 年在 6%-8%之間波動(dòng)，2009 進(jìn)入快速發(fā)展階段，2015 年以 來(lái)提升更為明顯，2020 年達(dá)到 18.2%，且三家公司已經(jīng)成為全球前 10 大封測(cè)廠，站上國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的舞臺(tái)。封測(cè)廠是 ATE 測(cè)試機(jī)最主要的下游，國(guó)產(chǎn) ATE 的發(fā)展離不開(kāi)封測(cè)廠的推動(dòng)，以華峰測(cè)控為例，其主力機(jī)型 STS 8200 測(cè)試系 統(tǒng)開(kāi)發(fā)于 2008 年，量產(chǎn)于 2011 年，與主流封測(cè)廠快速擴(kuò)張時(shí)間基本一致。且封測(cè)廠由于壁壘

17、較低，競(jìng)爭(zhēng)激烈，毛 利率較低，更愿意采購(gòu)性價(jià)比更高的國(guó)產(chǎn)設(shè)備。受益于此，國(guó)產(chǎn)模擬測(cè)試機(jī)率先實(shí)現(xiàn)了進(jìn)口替代。4.半導(dǎo)體測(cè)試機(jī)長(zhǎng)生命周期、高客戶粘性構(gòu)建先發(fā)者護(hù)城河ATE 的更新需求主要體現(xiàn)在板卡與測(cè)試軟件的更新迭代，因此機(jī)型平臺(tái)的延展性和兼容性非常重要。 板卡（DUT board / load board / interface board）是連接測(cè)試頭（Test Head）和被測(cè)器件（DUT）的專(zhuān)用 PCB，負(fù) 責(zé)數(shù)據(jù)采集、處理和輸出，通常針對(duì)特定的 DUT 進(jìn)行定制。測(cè)試機(jī)公司會(huì)設(shè)計(jì)一系列不同性能的標(biāo)準(zhǔn)板卡，用戶根 據(jù)測(cè)試需求選擇相應(yīng)的板卡，并使用測(cè)試程序進(jìn)行測(cè)試。 測(cè)試程序是驅(qū)動(dòng)板卡的可編

18、程程序，主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生、信號(hào)采集、大數(shù)據(jù)分析處理、管理協(xié)調(diào)各類(lèi)板卡等功能。 ATE 硬件迭代速度較慢，更換板卡、升級(jí)檢測(cè)程序就可以提升 ATE 的檢測(cè)性能、滿足不同的測(cè)試需求。因此優(yōu)秀的 ATE 產(chǎn)品是“鐵打的平臺(tái)，流水的板卡及程序”，需要具備良好的平臺(tái)延展性和兼容性。板卡設(shè)計(jì)和測(cè)試程序編寫(xiě)也 是 ATE 的核心技術(shù)壁壘，難度隨著 DUT 復(fù)雜程度、并測(cè)數(shù)量、測(cè)試速度的增加而增加。從整機(jī)視角看，ATE 技術(shù)演進(jìn)路線相對(duì)緩慢，長(zhǎng)生命周期構(gòu)筑高壁壘。芯片制造技術(shù)遵循摩爾定律每 18 個(gè)月進(jìn)階一 次，但是 ATE 不屬于工藝設(shè)備，摩爾定律對(duì)封測(cè)技術(shù)驅(qū)動(dòng)不顯著；對(duì)于同類(lèi)芯片，測(cè)試內(nèi)容萬(wàn)變不離其宗，更換板 卡和驅(qū)動(dòng)程序即可升級(jí)測(cè)試機(jī)性能，并不一定要更換整機(jī)，因此具備技術(shù)兼容性是 ATE 十分重要的賣(mài)點(diǎn)。愛(ài)德萬(wàn) 1998 年就完成平臺(tái)框架搭建的 V93000、泰瑞達(dá) 1999 年上市的 Ultra 系列至今仍是國(guó)際上主流的 ATE。ATE 整機(jī)的技術(shù) 迭代周期長(zhǎng)達(dá) 10-20 年，1990 年至今，在制程不斷縮小的情況下，ATE 整機(jī)只經(jīng)歷了三代大的技術(shù)變革，分別是 1990-2000 年的多功能測(cè)試機(jī)、2