解码全球半导体ATE产业,中国成色几何(上)

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2021-05-01 11:19

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近年来,5G、AI等技术带动数字化应用加速,加之疫情导致电子设备需求激增,推动了半导体全行业高速增长,也加大了对半导体测试设备的需求。

作为半导体产业的其中一个环节,半导体测试一直以来备受关注。因为半导体测试是半导体行业唯一贯穿设计、制造、封装、测试、应用全过程的重要部分,对产品良率的监控及产品质量的判断至关重要。


资料显示,芯片缺陷相关故障对成本的影响从IC级别的数十美元,到模块级别的数百美元,乃至应用端级别的数千美元。因此,测试设备从设计验证到整个半导体制造过程都具有无法替代的重要地位。


半导体测试设备概要


半导体测试通常主要指半导体在晶圆制造后的晶圆测试(CP)或封装后的成品测试(FT),目的是保证芯片在通过测试后好品的质量如性能、指标、可靠性等对应产品DATA SHEET需要完全符合设计及应用需求,而广义的半导体测试还包括前道晶圆制造工艺中的WAT 测试,因为WAT测试需在晶圆厂完成且作为目的是监控晶圆制造工艺的必要环节,所以通常不作为芯片ATE测试范畴。

后道测试设备应用于上游设计、下游封装、测试环节中,目的是检查芯片的性能是否符合要求,是一种电性、功能性的检测,用于检查芯片是否达到性能及应用要求。

前道检测对象则是工艺过程中的晶圆,它是一种物理性、功能性的测试,用以检测每一步工艺后产品的加工工艺是否达到了设计的要求,并且查看晶圆表面上是否存在影响良率的缺陷,确保将加工产线的良率控制在规定的水平之上。

在本文中,我们将主要探讨后道测试设备。

根据KLA,Gartner数据整理,半导体设备投入中有18%是检测设备的投入,18%的检测设备投入中后道测试设备占比约为46%。

数据来源:KLA,Gartner,广发证券发展研究中心

同时,根据智研咨询和 Gartner,SEMI 数据显示,2020年检测设备全球市场规模约 131 亿美元, 其中后道测试设备市场规模约62亿美元,如下图可见:

来源:Gartner,SEMI  制表:半导体行业观察

后道测试设备主要包括探针台、分选机、测试机等。测试机(ATE)是检测芯片功能和性能的专用设备,分选机和探针台是将芯片的引脚与测试机的功能模块连接起来并实现批量自动化测试的专用设备。在设计验证和成品测试(FT)中,测试机和分选机配合使用;在晶圆制造环节的硅片级测试(WAT、CP)中,测试机和探针台配合使用。

从市场占比上看,测试机占比最大。根据SEMI数据显示,在2020年,全球集成电路测试设备市场规模约62亿美元,国内集成电路测试设备市场规模约15亿美元,集成电路测试机占比达到了63%;其次为分选机、探针台,分别占比18%、15%;另外其它外观等检测设备约占4%。

测试机的主要细分领域为存储器、SoC、模拟、数字、分立器件和RF测试机等,他们的特点与技术难点各不相同,如图:


在各类测试机中,SoC测试机占比最大,根据市场数据统计(略有出入),全球半导体测试设备市场中 SoC 测试机市占率约为 50%,近年来随着存储器市场的扩大,存储器测试机份额上升较快,市占率约为30%,其次是模拟测试机(含分离器件测试机、数模混合测试机)12%,占比最小的为RF测试机约为8%,但随着5G手机相比4G手机频段数的成倍增长,射频前端芯片的需求也相应成倍增长,RF测试机未来几年有望占比上升,但总体RF测试机占比仍较小。

来源:Gartner 制图:半导体行业观察

从半导体测试设备各产品布局来看,目前全球测试机和探针台市场竞争格局较为稳定,主要呈现被国际企业垄断的局面,且中国半导体测试设备市场份额同样被国外企业瓜分,本土企业虽然与国际龙头相比在规模和技术方面仍然存在巨大差距,但是近几年在细分产品线上进步较大,市场份额有所提升,我国相继涌现出了华峰测控、长川科技、华兴源创等企业。

双巨头的崛起


查阅整个ATE市场的发展历程,从1960年代起,期间经历过百花齐放的场景,到如今形成了第一梯队泰瑞达(Teradyne)与爱德万测试(Advantest)的双寡头与第二梯队科休(Cohu)、美国国家仪器(NI)的竞争格局,双寡头市场占有率约在75%以上,排名第三的科休约占9%,排名第四的美国国家仪器约占4%,这种市场格局的形成与巨头们频繁的并购活动不无关系。

资料显示,早期的半导体测试设备发展并不完全是由独立的设备商引导,而是由半导体制造公司主导。仙童半导体(Fairchild )、德州仪器(TI)等制造企业生产ATE用于内部使用。据悉,在20世纪70年代末,仙童半导体(Fairchild )曾掌握全球范围70%的ATE市场。

而从1980年代开始,ATE领域就开始进行整合,并以2011年爱德万收购惠睿捷(VERIGY)为标志,形成了以爱德万、泰瑞达为中心的双寡头格局,代表着行业最前沿的水平。前四大企业通过不断并购形成了如今的市场格局。下表整理了前四大企业并购史:

梳理这些并购活动后,我们对国际一线巨头的成长也有了更清醒的认知。双巨头泰瑞达与爱德万均属于全产品线的全能高端选手,爱德万在存储器测试机上总体强于泰瑞达,科休除SOC测试机和RF测试机具有一定竞争力以外也是高端三温型分选机领域的领先厂商,美国国家仪器是一家全球领先的综合性电子测量仪器系统厂商,约有5%的收入来源于半导体测试机,其PXIe架构STS测试机平台的RF测试方案相比其他厂商用昂贵的SOC测试机搭载RF信号板卡的解决方案具有独特的高性价比优势,广泛被射频前端芯片厂商采用。

我们可以看到,目前排名前四大厂商的测试机产品布局主要如下:


如今的测试机市场,双巨头固然十分夺目,同样也有不少厂商在细分领域表现非常优秀。

在模拟测试机领域,成立于1993年的科创板上市企业北京华峰测控为首屈一指的国产模拟测试机厂商,于2003年成功推出了模拟测试机并获得了订单,2008年华峰测控推出了STS8200,该系列平台成为国内模拟测试机市场的畅销机型,累计装机量突破了3000台。2008年成立的创业板上市企业长川科技于2009年推出了CTA8200,该系列平台在国内市场也有一定市场占有率。模拟测试机作为半导体测试机的一个细分领域,市场空间不大,国产自给率较高,已达约85%,分析其原因主要是因为模拟测试机是几类测试机中技术门槛相对较低,其模拟测试板卡所使用芯片基本是由TI,ADI等提供,虽然对电流和电压的精度有一定的要求,但对速度,算法,向量深度,协议软件和调试工具要求均不高,仅需要最基本的少量数字通道和矢量深度,因模拟芯片特点,其所需要的协议和调试工具也只有几种。

在SoC测试领域,1995年泰瑞达收购Megatest通过Catalyst和Tiger系列测试系统成为高端SoC测试领域的领导者,而爱德万于2011年收购惠睿捷(前为HP,安捷伦半导体测试机部门),使其在高端SoC测试领域迅速提升,至今,泰瑞达和爱德万垄断全球SoC测试机8成以上市场份额。国内最早开展SOC测试机研发的厂商为2009年成立的北京冠中集创,其推出的CATT系列虽然在CIS影响传感器测试领域获得了少量批量订单但未能持续加大投入形成技术积累和有持久竞争力的产品。值得一提的是,2005年成立专注平板显示测试设备的科创版第一股苏州华兴源创异军突起于2017年成立了美国半导体测试设备研发中心并于2019年发布了完全自主研发的SoC测试平台已经在CIS等领域成功获得市场认可,成为国内首家SoC测试机收入过亿的国产测试机厂商。此外华峰测控在2020年披露的招股说明书披露,SoC测试机作为募投项目预计在2024年形成年产200套的产能。

在存储测试领域,由于80年代半导体产业由家电进入PC时代催生了DRAM大量需求,日本在原有积累基础上实现DRAM大规模量产,迅速取代美国成为DRAM主要供应国,在此产业转移背景下,爱德万抢先布局存储器测试领域,于1976年推出了全球首台DRAM测试机T310/31,至后来知名的T5581,T5371,T5377,T5503,T5830 等机型,占领绝大部分高端DRAM, FLASH测试机市场。2000年起,爱德万通过多起国内外外延参股、并购整合行业内资源,获取先进技术,提高市场占有率。2017年爱德万存储器测试机全球市占率达到59.5%,剩余部分市场主要由泰瑞达NEXTEST,韩国存储器测试机公司获得。国内精测电子通过与韩国厂商IT&T成立合资企业武汉精鸿引入国外技术但仍未被大量商用,另外日本Innotech通过在国内合资成立芯晖公司,目前已经实现进入国内知名存储器公司成为存储测试设备供应商,其他国内并无国产成熟存储器测试设备技术突破。

在RF测试机领域,对于手机通讯类等复杂芯片,因其需要大量高端数字、高速数字及混合信号测试技术,因此通常是在SoC测试机内直接整合对应射频及混合信号板卡来实现对复杂RF芯片测试,如泰瑞达UItraFLEX的UltraWave射频单元和爱德万V93000 PortScale和WaveScale射频系统单元,该解决方案在性能、指标和对复杂RF芯片测试有明显优势,整合度高、性能好,主要应用于手机、基站类为主的涵盖高端射频芯片的测试,价格非常昂贵 ,主要如QUALCOMM, BOARDCOM, MTK, 海思,紫光展锐等手机SoC+基带的顶级设计公司使用,同时手机独立射频前端芯片设计公司如Skyworks, Qorvo,博通、村田等企业也有较大RF测试需求,这些设计公司主要使用相比泰瑞达UItraFLEX和爱德万V93000更具有性价比优势的专用RF测试机如科休的PAX-AC系列和美国国家仪器的PXIE架构的STS系列。另外,近年国内射频放大器,、射频开关、滤波器、WIFI等国产射频前端芯片厂商如卓胜微、唯捷创新、韦尔股份、好达、汉天下、昂瑞微、国民飞镶等也逐渐获得不错的市场份额,为提高价格竞争力,国内射频前端芯片厂商已经不满足于国产厂商通过外购NI,KEYSIGHT等PXIe架构射频信号板卡的整合方案,希望采用全部国产化的更有价格竞争力的PXIe架构测试解决方案。2021年在SEMIChina展位,华兴源创发布了基于PXIe架构的各类板卡近十款,主要聚焦于满足5G射频类前端芯片的测试,射频类矢量收发仪和分析仪板卡最高频率均最高可支持6GHz,可满足所有5G射频前端芯片的测试要求,有望成为国内首家获得市场认可的专用RF测试机厂商。
目前国内主要厂商测试机产品布局主要如下:


总体而言,在半导体产业发展的漫漫长河中,半导体设备行业发生的并购事件并不少见,企业进行并购的动机也较为多样。但无论并购出于怎样的考量,我们始终不能脱离企业对于核心技术掌握及未来企业自身发展的考量。事实上,企业进行并购行为大抵逃不了扩大自身规模以及补充战略短板这些因素。

半导体设备市场中的中国


在Teradyne, Advantest这两大企业的成长过程中,中国市场地位正在不断变化,并成为设备厂商乃至全球半导体厂商都看中的市场。以中国市场为核心的亚太地区(除日本)已成为全球最庞大的集成电路消费市场。

诚如一位爱德万测试(中国)管理有限公司管理人员这样说道:“我以前回总部汇报工作时经常排到最后,因为我们是按照地区销售业绩排的顺序,那时候大家都昏昏欲睡了。而现在,全球半导体市场都在看中国的发展规划,中国地区的销售额增长得很快,所以我汇报时自然就排在前面了。”

爱德万于1990年在中国台湾新竹成立子公司,1993年在北京召开了“93年北京最佳技术研讨会”,正式进入中国大陆市场。而泰瑞达早在1979 年就开始在中国拓展业务。

目前,全球集成电路制造重心转向中国大陆是大势所趋。一方面,中国的市场需求大,但自给率低,供需不平衡;另一方面,中国制造成本较低,且随着技术、人才、产业链资源不断发展,已具备承接产能转移的基础。全球知名半导体企业已陆续或计划在我国建设工厂或代工厂。

知名半导体市场研究机构 IC Insights 发布分析与预测称,中国自2005年成为世界最大的 IC 市场后,规模一直在稳步上涨。2020年,中国集成电路市场增至 1434 亿美元,较 2019 年1313 亿美元的市场规模增长了9%。


IC Insights 认为,中国及亚太地区的IC市场份额不断增长的长期趋势是无法被忽略的。它预计中国和亚太地区在全球 IC 市场的份额将从2020年的 63.8%增加到 2025 年的68.1%,复合年增长率为 9.4%。

近年来,我国半导体产业进展飞速,中国半导体行业协会集成电路设计分会理事长魏少军指出,2020年,我国芯片设计企业数量总共2218家,比去年的1780家多了438家,数量增长了24.6%。规模从1325亿元增长到3819亿元,年均复合增长率达到23.6%,是同期全球半导体产业年均增长率的近6倍。设计业的销售规模直接体现了中国集成电路产业在全球的位置。2015年,我国在全球芯片市场的占比只有6.1%;2020年,这个比例预计会提升到13%左右。芯片设计环节需求的增长将直接带动下游制造封测领域景气,对测试设备需求暴涨。

来源:中国半导体行业协会集成电路设计分会,截至2020年12约9日

与此同时,2018-2020年间,中国大陆多家晶圆厂陆续投建及量产,国内封测厂将陆续投入新产线以实现产能的配套扩张,将带动国内半导体测试设备市场高速增长。

SEMI预测数据显示,到2022-2023年左右,全球半导体市场将达到5000亿美元,半导体设备市场将达到870亿美元。旺盛的芯片需求将推动中国半导体设备市场规模持续增长。

在如此旺盛需求下,正是国产测试机厂商奋起直追的好机会,因为已具备四大机遇:


1)国际ATE龙头技术进步及市场拓展或面临平台期;
2)海思等本土芯片的迅速发展,急需兼顾高性价比以及自主可控的测试解决方案,为本土测试设备创造切入市场的机会;
3)本土晶圆厂、封测厂、测试厂发展迅速,产能从中国台湾及海外转到中国大陆的过程为本土设备创造重大崛起机会;
4)下游行业进入“后手机时代”受5G、AI、汽车电子的拉动以及芯片复杂度带来的测试时间从增加,测试设备的需求将持续维持旺盛,以应用为中心、成本更优化、交付更快捷的国产设备有望更受青睐

国产设备厂商的出路


以史为镜,全球半导体设备企业的并购历程和发展经验对于正处于关键破局时期的国内本土设备企业有着极大的借鉴和参考价值,但遗憾的是在中美贸易战的大背景下通过并购获取优秀测试设备产品线的道路目前几乎行不通。

2018年,大基金背景的华芯资本欲5.8亿美元并购曾经位于全球前三的测试机厂商Xcerra(后被科休COHU收购),遭到了美国外资投资委员会(CFIUS)的否决。在这之后,中资并购主流测试设备厂商的门几乎已经被彻底关闭。

另外例如美国NPTEST在快要破产倒闭时宁可立起一个终止设备的墓碑也不出售技术给中国厂商、类似还有美国EG探针台公司等。剩下的海外测试设备厂商除少数几家如三星半导体大力支持的韩国厂商具有一定规模外,其他基本处于产品线边缘化、研发经费匮乏、技术迭代跟不上等濒临倒闭的困境中,对于想通过并购迅速进入该领域的中资资本来说这类边缘化的测试机标的基本属于是“鸡肋”。

综上所述,国内的测试设备厂商唯有通过长期持续研发,培养本土技术团队或从美国、日本国际一线厂商吸引海外稀缺技术人才的模式才能得到突破,后一种模式对于近几年新进入测试机领域的厂商来说无疑可能更为节约时间,特别是想研发国内尚无任何成功经验的SoC测试机、RF测试机和存储器测试机。以上两种模式均有国产厂商发展的不错。

国内自主研发芯片测试设备厂商中处于领先地位主要有华峰测控、长川科技、华兴源创,其中华峰测控和长川科技均属于本土培养人才发展模式的成功典范,这两家在国内模拟测试机市场已经占据了较大市场份额,模拟测试机也实现了85%以上的国产替代率,不过由于市场容量因素,模拟测试机市场规模十分有限,厂商仅凭模拟测试机这一单一产品系列要在营收规模做到接近海外厂商的数亿或十亿美元以上规模几乎没有可能。因此长川科技也是另辟蹊径于2019年收购了专注于芯片外观检测AOI设备和编带设备的厂商新加坡STI,该公司2020年为长川科技贡献了4460万元净利润。

国内的华兴源创属于引进海外稀缺人才发展模式的成功典范,其美国研发中心主要任务之一为负责SoC测试机、射频测试机的核心底层软硬件架构的研发,目前SoC测试机与RF测试机领域均处于获得客户认可并获得小批量订单的快速发展期,也是目前国内唯一一家同时拥有两大类自主研发测试机的厂商,相信如果华兴源创能在装机量上实现数百台以上的突破,未来国产厂商在SOC测试机和RF测试机的自给率上也能有比较显著的提高。

说在最后


半导体测试是半导体生产过程中的重要环节,模拟测试机相对技术壁垒较低,因其不需要复杂的FGBA, ASIC定制芯片、算法软件等,因此除了模拟超高电压、大电流、高精度国产模拟测试机尚有一定的差距外,通用模拟测试目前已经实现了很大程度上的国产替代。但在技术要求非常高的如SoC测试机、RF测试机、存储器测试机等领域,甚至在很多高端测试机的专用芯片上,仍需要走海外加本土人才结合的自主研发模式,因此以自主研发为主线结合一些并购机会将成为国内测试设备企业未来逐步快速突破核心技术的必经之路。

目前,在国家重大专项的引领下,国内优秀半导体测试设备厂商已逐步打破国外的技术封锁,这种技术差距已经缩小,在一些特定领域已经逼近同步水平。

中美贸易纠纷进一步加剧使得半导体设备自主化已迫在眉睫,美方限制将进一步倒逼国内晶圆和封测厂加大对国产设备供应链扶持力度,加速国内半导体设备产业的国产替代进程。

国内半导体测试设备厂商何时能够追上国外厂商?我们期待这一刻的到来。

欲知国内半导体测试设备厂商现状以及实力?且看下篇。

*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


今天是《半导体行业观察》为您分享的第2662内容,欢迎关注。

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