检测设备行业发展分析，晶圆检测和终测发展趋势

晶固检测可分为硅片测试及晶圆中测（CP测试），应用在封装之前，CP检测意义重大。在芯片制造过程中，晶圆在氧化前的过程属于硅片制造的范畴，这部分的设备投资额占比很少，通常在2%左右；硅片制备完毕后进入晶圆制造环节，这部分为芯片制造的核心环节，设备投资价值量占了整个制造环节的70%，CP测试则是在封装前的最后一道防线，通过测试的晶圆将进入封装切割环节，因此CP检测质量意义重大，其标准直接影响芯片最终测试环节的良品率。

（1）硅片检测

硅片检测主要是对表面缺陷检测。硅单晶、抛光片的电学、物理和化学等性质以及加工精度将直接影响集成电路制备的特性和成品率，为了满足对硅单晶、抛光片的高要求，必须采用先进的测试方法，对硅单晶的晶向、缺陷、氧含量、碳含量、电阻率、导电型号、少数载流子浓度、等技术参数有效测试，对抛光片表面缺陷（点缺陷、错位、层错等），颗粒污染和沾污进行检测。

检测设备包括厚度仪、颗粒检测仪、硅片分选仪等。目前国产设备涉足较少，主要以进口设备为主，主要设备商包括日本爱德万（Advantest）、美国MTI等公司。硅片检测设备占硅片制备设备总投资的15%左右，根据芯思想研究院的预测，未来19/20两年共24.3亿元的市场空间。

（2）晶圆中测（CP）——检测核心环节

晶圆检测（CP测试）主要目的是对晶粒电性能参数测试，保持生产质量以及合格率。主要指在晶圆制造完成后进行封装前，通过探针台和测试机配合使用，对晶圆上的芯片进行功能和电参数性能测试，其测试过程为：探针台将晶圆逐片自动传送至测试位置，芯片的焊盘（PAD）通过探针、专用连接线与测试机的功能模块进行连接，测试机对芯片施加输入信号、采集输出信号，判断芯片在不同工作条件下功能和性能的有效性。测试结果通过通信接口传送给探针台，探针台据此对芯片进行打点标记，形成晶圆的Map图，根据MAP图进行下一步的切割和封装。

CP测试主要过程：

1.将待测晶圆放在晶圆框架盒中置于探针台（Prober）的上下片部分，探针台自动上片到承片台（chuck），晶圆便会被真空吸附在承片台上。

2.承片台吸附晶圆进行自动对准定位，以使探针卡/探针与晶圆测试区域接触良好。

3.测试机将电信号通过探针卡加载在待测die上，对产品进行测试，按照测试结果分类。

4.对不合格芯片进行打墨点标记，以便不良管芯可以在封装之前被识别并废弃。

CP测试主要设备：

1.探针卡（probe card）

探针卡是一种测试接口，主要对裸芯进行测试，连接测试机和芯片，通过传输信号对芯片参数进行测试。半导体探针卡的2015年全球销售总额为14亿美元，VLSIresearch预计该数字在2020年将达到17亿美元。

探针卡市场主要被美国、日本和韩国企业控制。2018年销售收入前五大半导体探针卡公司依次为美国的FormFactor、意大利Technoprobe、日本Micronics、日本电子材料、台湾的MPI，排名7-10位的公司是韩国Korea Instrument、韩国TSE、韩国WillTechnology、韩国Microfriend。

其中美国Formfactor是全球第一的探针卡供应商，多样的高性能探针卡产品组合广泛应用于DRAM，闪存和SOC器件测试。它在高端半导体元件的较窄探测间距（ProbePitch）的MEMS型探针卡方面形成了绝对的技术优势，保证了公司营业收入的高增长。FormFactor公司2018年营业收入5.3亿美元，公司占有超过三成的市场份额，是竞争对手的两倍。

2.探针台（prober）

探针台负责晶圆输送与定位，使晶粒依次与探针接触完成测试。探针台主要提供wafer的自动上下片、找中心、对准、定位以及按照设置的步距移动Wafer的功能，以使探针卡上的探针总是能对准硅片相应位置进行测试。由于探针台只涉及探针与焊盘的可靠接触，电性测试由专用的测试机来执行，使得探针台可以通过通讯接口搭载不同的测试机，实现对各种晶圆进行针测的可能。因此，探针台成为一台在晶圆针测中可以普遍适用的通用性工艺装备。

全自动探针台被东京精密、TEL，BG等品牌所垄断。东京精密设计和生产的UF系列探针台是当今世界晶圆化测试领域的旗舰产品，UF3000以及其改进版UF3000EX通过采用XY平台的高速同步、晶圆的静音操作等协同工作实现晶圆测试的高产能；Z轴用4轴驱动的新技术（0PU），实现高精度、稳定的探针接触，从而使Z轴的定位精度和重复定位精度已达到世界先进水平；采用高分辨率的彩色相机，改进大屏幕的操作性能；组合不同的测试选件，可实现如低噪声、高电压环境下的测试。东京电子研发的P12全自动探针台XY平台采用导轨加丝杠传动方式，预对位安装于机台后部，使预对位有了更大的空间，从而使扩展诸如高低温测试等功能模块成为可能。美国electroglas公司推出的EG系列探针台在晶圆中测设备中测市场中占有不小的份额，尤其是最近几年新推的EG4090，极大高了测试精度，扩大了适用晶圆类型。

国内公司技术仍有较大差距，长川科技已开始布局。目前国内探针台技术较为成熟的为中电45所，其研制的探针台曾一度为国内的主流机型，市占率高达67%，但随国外成熟品牌的流入，市占率逐渐被压缩。从其生产的探针台的性能也可以看出，无论是适用的硅片尺寸，还是各轴的精度，都与目前国际流行的探针台有不小差距。长川科技直接把市场定位在12英寸，自18年以来加大投入进行研发，目前已有一定进展，但探针台制造技术壁垒较高，在短期直接寻求高端突破可能性并不是很大。

国产探针台的主要技术壁垒：1）运动精度和可重复定位精度较低：由于控制系统采用半闭环控制，机械结构的加工精度又不能满足微米级精度要求，再加上电机控制和传感器选型上的偏差，势必造成综合运动精度降低。2）视觉定位和图形处理不完善：视觉系统所涉及的晶圆中心自动检测、模板匹配、墨点识别、自动对针等都对晶圆测试产生很大的影响。而国内鲜有企业对视觉系统模块投入大量研发精力和成本，而把时间花费到预对位等其它模块。

3.测试机（tester/ATE）

测试机的使用贯穿了设计验证、晶圆检测和成品终测。测试机是检测芯片功能和性能的专用设备，测试机对芯片施加输入信号，采集被检测芯片的输出信号与预期值进行比较，判断芯片在不同工作条件下功能和性能的有效性。在设计验证和成品测试环节，测试机需要和分选机配合使用；在晶圆检测（CP）环节，测试机需要和探针台配合使用。

测试机的核心难点来自于算法，测试厂商需要推出定制化的算法来解决客户不断更新的测试需求。国内企业由于在研发人才储备、技术底蕴上与国外企业有较大差距，因此在测试机领城迟迟没有突破一线客户。

图表：测试机应用于CP&FT测试

测试机按测试芯片功能主要分为测试SOC、存储器、RF、逻辑芯片等类别。爱德万主要产品为存储器测试机及SOC测试机，泰瑞达主要产品为RF测试机和SOC测试机，Xcerra主要在市场较小的逻辑芯片领域提供设备。Xcerra（科利登）在18年被Cohu（科休）以8亿美元的价格收购。

（1）SOC测试

SOC高性能促其广泛应用，但多核SOC测试成本高。片上系统（SoC:System-on-a-chip）是通过深亚微米工艺技术实现了一套功能完整的电路系统集成至一块芯片上，有效迎合了低功耗、高性能、便携式等IC发展理念，SOC凭借性能高、体积小、开发周期短等诸多优势，己经广泛被应用至航空航天、军用电子系统、互联网络、多媒体系统等领域。然而，随着集成电路制造工艺的快速发展，单个芯片上的集成度越来越高，soc的功耗问题日益凸显，单个集成处理器嵌入多个计算内核（MSOC）便有效降低系统的功耗，但MSOC的封装及测试成本大大提高。

（2）存储器测试

存储器在芯片中广泛应用，随制程减小故障率提高。在集成电路产品中，存储器作为记忆设备存放数据缓存，是数字系统中最重要和使用最频繁组件之一，在SOC上嵌入式存储器能占到芯片面积的80%，在一个芯片上存在数十个不同类型、大小的存储器。随着集成度的提高，40nm以下工艺的存储器内部晶体管尺寸减小，部件也趋于密集，在低电压下存储器发生各种物理故障和缺陷的概率大大提高，降低了整个系统芯片的良率。

存储器市场市场持续低迷，设备市场同期周期性波动。存储器在半导体IC产业中的占比达到20%左右，占据极为重要的地位。18年以来，由于需求不振和前期过多的产能投放，存储器价格自18年下半年以来便一直处于下跌状态，预计到2020年存储器工序将达到平衡。据ICInsights预测，2020年存储器市场规模将达1000亿美元。届时受益于存储器测试市场的升温，检测设备需求也有望同步增长。

（3）射频芯片测试（RF）

5G时代来临，射频市场扩大如箭在弦。2018年移动产业的产出占全球GDP的3.5%，大约3.6万亿美元的价值，到2022年，这个数值将达到4.6万亿美元，全球移动通信系统协会预测中国有望成为未来最大的56市场。应用于通信、雷达、导航等领域的射频芯片将是5G时代的重要组成部分。

RF测试要求高，需进行全参数测试。射频接收芯片具有射频接收部分和模数转换部分，结构复杂，为保障芯片高质量一致性，必须进行全参数测试，对测试系统性能可靠性、测试板设计制造和筛选机的配合应用提出更高要求。RF测试设备主要为示波器、信号发生器、频谱分析仪、网络分析仪。据麦姆斯咨询报道，2016年，RF测试设备市场规模为23.2亿美元，预计到2023年将达到32.1亿美元，2017-2023年期间的复合年增长率为4.92%。推动RF测试设备市场增长的主要因素包括：楼宇通信系统对无线网络的采用增加；基于5G网络设备的开发增加；应用于各大领域、基于IoT技术设备的部署增加，包括通信、汽车、航空航天和国防，以及消费电子。

国产设备已着手布局，突围仍需时日。由于半导体产业向大陆转移对本土设备企业的利好，长川科技、北京华峰、精测电子、华兴源创等都已经布局研发测试机，其中长川科技主要布局在功率器件测试机并且已实现对国内封测厂的批量供货；精测电子联合三星供应商IT&T，进入国内存储器和面板驱动芯片检测设备市场，而华兴源创则主要布局在SOC测试机方向，但都刚刚起步，距离突围仍需一定时日。

图表：测试机国产化情况

长川科技技术已接近国际一流水平。目前长川科技是国内综合能力最强的半导体测试设备供应商，多项产品技术水平已接近国际一流。但是对比泰瑞达等国际龙头，参数上还有一定差距，以长川科技测试机CTA8280型号对标测试龙头泰瑞达的ETS88系列测试机，可发现在关键指标中电压精度、电流精度仍有一定差距，但时间精度已达到国外先进技术水平。在客户方面，长川科技研发的集成电路测试机已获得长电科技、华天科技、通富微电、士兰微、华润微电子、日月光等多个一流集成电路企业的使用和认可，在测试机领域国产化突围较为成功。受益于半导体产业向大陆转移，长川科技测试机在国内已实现批量销售。

图表：国内外测试机性能对比

资料来源：公开资料整理

终测为芯片进入系统前的最后检测。成品终测（FT测试）是对封装后的芯片进行功能和电参数性能测试，保证出厂的每颗集成电路的功能和性能指标能够达到设计规范要求。其测试过程为：分选机将被检测集成电路逐个自动传送至测试工位，被检测集成电路的引脚通过测试工位上的金手指、专用连接线与测试机的功能模块进行连接，测试机对集成电路施加输入信号、采集输出信号，判断集成电路在不同工作条件下功能和性能的有效性。测试结果通过通信接口传送给分选机，分选机据此对被测试集成电路进行标记、分选、收料或编带。

在CP环节，存储芯片和SOC的测试方式基本一样，但在FT环节有所不同，由于单个SOC测试的时间较短，因此在载板上放置的芯片数量较少，一般为4-8颗（由于放置时间长），而存储测试由于时间较长，所以会一次性放着多颗芯片。

国内三大封测厂资本开支维持相对高位。终测往往在封装工厂进行，因而封装和测试常常被叫成整体的封测行业。封测环节的市场集中度相对于晶圆代工较低，全球前十大的封测企业市场份额约为41%。主要包括各大IDM公司和专业代工封测厂商，份额各占50%。全球较大型的封测厂商有日月光、安靠、力成等，内地为长电科技、华天科技和通富微电等。受益于国内晶圆厂的高速扩建，国内封测厂也迅速提升了规模，根据封测厂与测试设备公司的上下游采购关系，我们认为国内有能力进入供应采购名单的设备公司将一起享受巨大行业红利。

FT测试所需设备为分选机和测试机。测试机与晶圆检测所用测试机基本一致，主要用来检测封装后芯片的功率、性能等参数。承载待测品进行测试的自动化机械结构，其内有机械机构将待测品一颗颗从标准容器内自动的送到测试机台的测试头（Test Head）上接受测试，测试的结果会从测试机台内传到分类机内，分类机会依其每颗待测品的电性测试结果来作分类（此即产品分Bin）的过程；此外分类机内有升温装置，以提供待测品在测试时所需测试温度的测试环境，而分类机的降温则一般是靠氮气，以达到快速降温的目的。

分选机市场集中度较低，国产化取得突破。分选机按照结构分为三类，即重力式分选机、平移式分选机和转塔式分选机。国内企业也在平移式分选机和重力式分选机中实现了追赶，自给率分别可达80%和22%，而转塔式分选机由于是UPH（每小时分选芯片数量）最多的一类分选机，在高速运行下，既需保证重复定位精度，又需保证较低故障率，对分选机设备开发提出了更高的要求，国产率相对较低，在8%左右。

图表：分选机国产化情况

资料来源：公开资料整理

2017年分选机全球排名前三的企业分别为科休、科利登和爱德万，市场份额分别为21.5%、17.0%和14.0%。除了这前三大企业外，韩国的Techwing是细分领域分选龙头，是全球领先的存储芯片测试分选机厂商，其在存储芯片测试分选机领域的市占率超过50%；ASM在转塔式分选机领域的市占率为54%，Epson、Hontech在平移式分选机领域有较高的市场份额。

长川科技分选机已在国内主流封测厂批量销售。长川科技的“SiP吸放式全自动测试分选机”项目适用于QFP、QFN、BGA等中高端封装外型芯片的测试分选，已通过长电科技的验证，并实现批量销售。但与国外设备相比，技术差距仍然较大。目前长川科技仅生产平移式分选机和重力式分选机，对标Xcerra的同类型设备，无论是在封装适用性还是在UPH上都存在很大差距。而且其仍然没有布局技术壁垒较高的转塔式分选机，转塔式分选机精度高速度快，处于半导体设备制造产业顶端。