隨著芯片制程越來越小，其工藝難度也呈指數(shù)型上升。以10nm工藝為例，全工藝步驟數(shù)超過1300道，7nm工藝則超過1500道，其中任何一道工藝出錯都可能導(dǎo)致生產(chǎn)的集成電路不合格，拉低良品率。
因此，為了及時發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)定因素、提高生產(chǎn)良率，測試環(huán)節(jié)貫穿在集成電路的生產(chǎn)流程里，測試設(shè)備則是其中的關(guān)鍵。
本文來自長江證券的半導(dǎo)體測試設(shè)備報告，詳解了半導(dǎo)體測試過程、設(shè)備分類、以及國內(nèi)外市場格局。
一、測試設(shè)備貫穿生產(chǎn)流程：探針臺、分選機、測試機
正如開篇提及，集成電路工藝繁多復(fù)雜，其中任何一道工藝出錯都可能導(dǎo)致生產(chǎn)的集成電路不合格，拉低良品率。因此，測試環(huán)節(jié)對于集成電路生產(chǎn)而言至關(guān)重要。
集成電路測試設(shè)備不僅可用于判斷被測芯片或器件的合格性，同時還可提供關(guān)于設(shè)計、制造過程的薄弱環(huán)節(jié)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(jié)，主要包括芯片設(shè)計中的設(shè)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(shè)備主要包括測試機、探針臺和分選機。在所有的測試環(huán)節(jié)中都會用到測試機，不同環(huán)節(jié)中測試機需要和分選機或探針臺配合使用。
1、設(shè)計驗證階段：驗證芯片設(shè)計有效性，對測試設(shè)備需求少
芯片設(shè)計公司通常會使用半導(dǎo)體測試設(shè)備對晶圓或芯片樣品進行測試，以驗證芯片樣品功能和性能的有效性，并指導(dǎo)芯片設(shè)計。設(shè)計驗證階段對測試設(shè)備需求較少。
2、晶圓測試階段：測試機+探針臺，測試晶圓，節(jié)省封裝成本
晶圓測試又稱為CP測試，是指在晶圓制造完成后和進行封裝前，通過探針臺和測試機配合使用，對晶圓上的每一個芯片晶粒進行功能和電參數(shù)性能測試的過程，是晶圓制造的最后一道工序。晶圓測試一般在晶圓廠、封測廠或?qū)ｉT的測試代工廠進行，主要用到的設(shè)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，探針臺內(nèi)部的機械手臂控制晶圓移動，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，并進行標記形成晶圓的Map圖，此后只對性能良好的晶粒進行封裝，以節(jié)省后續(xù)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
封裝測試又稱為FT測試或終測，一般在封測廠完成，是指芯片完成封裝后，通過分選機和測試機配合，對每一顆芯片進行電參數(shù)性能測試，保證出廠的每顆集成電路的功能和性能指標能夠達到設(shè)計規(guī)范要求，目的在于提高出廠芯片良率。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。
成品測試的過程：分選機將待測芯片逐個自動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(jié)果通過通信接口傳送給分選機，分選機據(jù)此對被測試的集成電路進行標記、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，只有好的芯片才會被銷售給終端客戶，以保證芯片出貨時的良率。
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(yīng)用的環(huán)節(jié)并不相同，其技術(shù)難度也各有差異。測試機屬于定制化設(shè)備，探針臺、分選機則更加通用。
1、測試機由機身和內(nèi)部的測試板卡構(gòu)成，均由測試機廠設(shè)計和制造。
測試機機身是一種標準化的設(shè)備，內(nèi)部可以插入不同的測試板卡。測試機廠會設(shè)計出一系列的測試板卡，每一種測試板卡可以滿足對某些功能的測試，測試廠在做芯片測試的時候，需要根據(jù)芯片的功能特性選擇不同的測試板卡進行搭配。
此外，每一種芯片都需要編寫一套特有的測試程序。因此，測試機的定制性主要體現(xiàn)在測試板卡的定制和測試程序的定制。當(dāng)一款芯片更新?lián)Q代時，測試機的機身不需要更換，內(nèi)部的測試板卡則會根據(jù)接下來要測試的芯片做調(diào)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(shè)備，適用范圍較廣。
探針臺主要根據(jù)晶圓尺寸選型，分選機主要根據(jù)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。
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，包括底層的對設(shè)備的控制程序，和上層的對芯片的測試程序。
底層的控制程序類似于操作系統(tǒng)，不同品牌的測試機的控制系統(tǒng)不同，而上層的測試程序類似于應(yīng)用軟件，在該種測試機的控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上編寫，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測試設(shè)備的技術(shù)難度對比來看，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售的設(shè)備，測試機、探針臺和分選機生產(chǎn)廠商在研發(fā)時均已考慮了不同廠商產(chǎn)品之間搭配使用的可行性，在產(chǎn)品和連接線設(shè)置上均有行業(yè)通用接口，可實現(xiàn)不同廠商不同類型設(shè)備的搭配組合，無須從同一廠商配套采購。
但在實際采購設(shè)備時，測試設(shè)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(shè)備通常由晶圓廠和封測廠自行決定采購，而定制化設(shè)備則由芯片設(shè)計公司主導(dǎo)設(shè)備品牌的選擇：
1）探針臺和分選機屬于通用設(shè)備，通常由晶圓廠或封測廠自主采購；
2）測試機、探針卡、測試電路板和底座均屬于定制化設(shè)備，由芯片設(shè)計公司根據(jù)自己芯片的特點指定供應(yīng)商，再由晶圓廠和封測廠進行采購。封測廠和晶圓廠自主決定購買的定制設(shè)備相對較少。
三、測試設(shè)備難度較低，有里率先突破國際壁壘
集成電路設(shè)備主要包括硅片制造設(shè)備、晶圓加工處理設(shè)備、封裝設(shè)備和測試設(shè)備等，由于集成電路制造工序復(fù)雜、流程較長，不同環(huán)節(jié)所需設(shè)備各不相同，且技術(shù)難度及價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(shè)備技術(shù)壁壘更高、難度更大，由全球少數(shù)幾家巨頭壟斷。而測試設(shè)備的技術(shù)門檻相對稍低，國產(chǎn)測試設(shè)備有望在各種半導(dǎo)體設(shè)備中率先突圍。
從半導(dǎo)體設(shè)備分產(chǎn)品市場規(guī)模占比情況來看，半導(dǎo)體設(shè)備所占市場份額與技術(shù)難度基本成正比，技術(shù)難度更高的產(chǎn)品享有更高市場溢價。晶圓處理設(shè)備占比最大，原因在于在集成電路制造、封裝、測試等環(huán)節(jié)中，晶圓制造工藝最為復(fù)雜、工序最多、技術(shù)壁壘最高，設(shè)備成本也更高。
2018年晶圓處理設(shè)備、封裝設(shè)備、測試設(shè)備和其他設(shè)備的市場規(guī)模分別約為502、54、40和25億美元，市場規(guī)模占比分別約為80.8%、8.7%、6.4%和4.0%。
目前，全球集成電路先進測試設(shè)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)達國家的廠商手中。
在測試機市場，美國泰瑞達（Teradyne）和日本愛德萬（Advantest）為雙巨頭，合計占據(jù)了測試機市場80%以上份額，且近年份額呈現(xiàn)不斷提升趨勢。
探針臺技術(shù)壁壘較高，市場也處于雙強壟斷態(tài)勢，東京電子和東京精密兩家日本公司占據(jù)了絕大部分市場份額。
分選機技術(shù)難度相對較低，目前沒有在技術(shù)上絕對領(lǐng)先或在市場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、日本愛德萬、新加坡STI、中國臺灣的鴻勁和中國大陸的長川科技等。回望國內(nèi)，目前國內(nèi)的測試設(shè)備企業(yè)長川科技、北京華峰、佛山聯(lián)動、北京冠中等已經(jīng)取得一定突破，進入了長電科技、華天科技、通富微電、日月光等海內(nèi)外知名封測廠。
國內(nèi)廠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?qū)崿F(xiàn)或部分實現(xiàn)了國產(chǎn)替代，并在數(shù)字測試機、探針臺等難度較大的測試設(shè)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。
在近來中美貿(mào)易摩擦背景下，半導(dǎo)體設(shè)備的國產(chǎn)替代進程或?qū)⒓铀?，遵循先易后難的邏輯，國產(chǎn)測試設(shè)備有望在各種半導(dǎo)體設(shè)備中率先崛起。
四、測試設(shè)備需求攀升，大陸封測產(chǎn)業(yè)發(fā)達測試設(shè)備通常壽命較長，更新需求較少，最主要的需求是新增需求。影響測試設(shè)備新增需求的四大因素包括下游芯片需求、芯片復(fù)雜度、半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)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(fù)雜度。
近年來，芯片的復(fù)雜度不斷攀升，測試設(shè)備的需求受芯片復(fù)雜度提升和下游景氣度波動雙重影響。
2015年至2018年，隨著半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)景氣度上升，全球半導(dǎo)體測試設(shè)備銷售額迅速增長，至2018年達到約54億美元。
2018年下半年來，全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)景氣度有所下滑，預(yù)計2019年測試設(shè)備市場需求同比2018年略有下滑，全球市場空間預(yù)計超過50億美元。
隨著供應(yīng)鏈去庫存、5G需求拉動等因素，預(yù)計2020半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)景氣度將恢復(fù)，半導(dǎo)體測試設(shè)備市場空間有望超過60億美回望中國。近年來，中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備市場需求增長迅速，據(jù)SEMI預(yù)測，2019年中國大陸半導(dǎo)體設(shè)備市場在全球占比或達約20%。
分產(chǎn)品來看，2019年中國大陸數(shù)字測試機市場空間約30~35億人民幣，存儲器測試機市場空間約8~9億人民幣，模擬測試機市場空間約5~6億人民幣，分選機和探針臺市場空間則各約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(shè)備市場近年來競爭日趨激烈，行業(yè)整合加速。
2011年愛德萬收購惠瑞捷，高端測試機市場形成了泰瑞達和愛德萬雙家頭壟斷局面。而泰瑞達和愛德萬之外的測試機公司，則在中低端市場競爭激烈，相互之間不斷整合。LXT、Credence、ECT和Multitest經(jīng)過一系列合并、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德萬差距較大，2018年Cohu收購了Xcerra。而從2018年以來，國產(chǎn)半導(dǎo)體測試設(shè)備向中國大陸外市場拓展和在中國大陸市場的國產(chǎn)替代進程均明顯提速。
國產(chǎn)替代進程提速是因為中國本土芯片設(shè)計公司近年來蓬勃發(fā)展，對芯片測試的需求增長迅速，但受中美貿(mào)易摩擦影響，供應(yīng)鏈的安全日益受到重視，國產(chǎn)測試設(shè)備將得到更多的試用機會，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(shè)備加速海外拓展，短期因素，是近期中國大陸封測廠設(shè)備采購支出低迷；長期因素，是國產(chǎn)設(shè)備在模擬、電源等細分領(lǐng)域技術(shù)實力增強，逐步參與全球競爭。
自2018H2以來，國內(nèi)封測產(chǎn)業(yè)投資低迷，設(shè)備采購支出葵縮，促使國產(chǎn)測試設(shè)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銷售，并在美國、日本、意大利設(shè)立辦事處，目前海外收入占比已超過30%。
長川科技在中國香港和日本設(shè)立子公司，并在中國臺灣設(shè)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(jiān)會通過，進一步進軍東南亞市場。佛山聯(lián)動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)進入東南亞封測廠。
長期來看，半導(dǎo)體封測產(chǎn)業(yè)持續(xù)向中國大陸轉(zhuǎn)移，特別是東南亞的封測代工廠，近幾年隨著中國封測產(chǎn)業(yè)高速增長，東南亞部分封測廠運營困難，因此逐漸被收購。中國封測廠去東南亞收購封測產(chǎn)能也成為了趨勢。
測試設(shè)備貫穿芯片制造的整個流程，對于確保芯片的性能和可靠性至關(guān)重要。在半導(dǎo)體制造工藝日益復(fù)雜的當(dāng)下，完備的測試設(shè)備流程能夠及時發(fā)現(xiàn)不穩(wěn)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，長電科技、天水華天、通富微電等都在近年來取得了不俗的市場成績，這也導(dǎo)致了國內(nèi)市場對于封測設(shè)備需求增加。
在中美貿(mào)易摩擦背景下，國產(chǎn)測試設(shè)備有望在各種半導(dǎo)體設(shè)備中率先崛起，進一步加快國產(chǎn)化突圍的步伐。
