2022年半导体测试机行业市场规模及护城河分析.docx

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1、2022年半导体测试机行业市场规模及护城河分析1.半导体测试机：软硬件一体的后道检测核心设备半导体检测可分为前道量测和后道检测，后道检测以封装为界分为晶圆检测和成品测试： 前道量测主要发生在晶圆加工环节，目的是检查每一步制造工艺后晶圆产品的加工参数是否达到设计的要求或者存在 影响良率的缺陷，偏向于物理性的质量检测；主要设备包括光学测量设备、缺陷检测设备以及厚膜测量设备。 后道检测是指晶圆加工之后、封装之前的晶圆检测和封装之后的成品测试，目的是检查芯片的性能是否符合要求，偏 向于电性能的检测；主要设备包括测试机、分选机、探针台，其中测试机（ATE）是晶圆测试和成品测试环节都需要 使用的核心设备，

2、因此需求最大，市场规模占整个后道检测设备的 63%，分选机和探针台分别占 17%、15%。晶圆检测（CP，circuit probing test）所需设备为测试机、探针台，目的是确保在芯片封装前，尽可能把无效芯片 筛选出来节省封装费用。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 测试是封装前的最后一

3、道防线，通过测试的晶圆将进入封装切割环节，因 此 CP 检测的结果直接影响芯片 FT 测试环节的良品率。成品测试（FT，final test）所需设备为测试机、分选机，目的是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，被测芯片的引脚通过测试工位 上的基座、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并采集输出信号，判断芯片功能和 性能在不同工作条件下是否达到设计规范要求。测试结果通过通信接口传送给分选机，分选机据此对被测芯片进行标 记、分选、收料或编带。不同于探针台和分选机，测试机软件系统占比更大。

4、测试机的主要组成部分是： 1）以测试头、机械手等为基础组成通用测试仪器硬件系统； 2）实现测试/测量任务以及系统升级的软件系统。 因此测试机体现了以软件控制、功能组合方式实现的合成仪器自动测试技术，硬件成本占比低。而探针台和分选机是普遍适用的通用性工艺装备，主要实现机械方面的功能，不涉及软件的定制开发，硬件成本占比更高。以 2018 年数 据为例，主营 ATE 测试系统的华峰测控直接材料占总营收比重为 12.3%，主营测试分选机的金海通直接材料占总营 收比重达到了 32.9%，二者直接材料占总成本的比重分别为 71.1%、76.2%。测试机与分选机之间、测试机与探针台 之间通过行业通用接口进行

5、数据连接和信号传输，不同品牌的设备可搭配使用，使用方不需要配套采购。2.半导体测试机细分产品多，22 年全球市场规模约47亿美元按照测试领域，ATE 可细分为 SoC、存储器、RF、分立器件、模拟、数模混合测试机。SoC 测试机：由于集成了多种功能的 IP 核，对板卡的速度、精度、向量深度、调试工具、软件等要求都非常高。 SoC（System on Chip）芯片又称系统级芯片或片上系统，主要是将系统关键部件集成在一块芯片上，实现完整 系统功能。一块 SoC 芯片不仅包含 CPU、DSP，还包含存储器、模拟电路甚至射频电路，因而作为一台 SoC 的测试系统，具备数字、混合信号、存储器、射频测试

6、是前提条件，同时各个模块之间又需要相互不受影响，这 对测试系统提出了相当高的要求。此外，由于 SoC 的关键构成是 IP 核，当核被集成到系统内部后，很难通过系 统的输入对内部核施加有效的测试数据，并从系统的输出捕获内部核的响应，因此 SoC 测试机难度非常高，需 要持续研发以适应高端芯片的技术标准和协议，单台设备价格在 25-150 万美元之间。存储器测试机：系统、软件、算法、调试工具系统庞大冗杂，对新的存储标准需要持续的研发投入，技术难度大。 存储器芯片是半导体存储产品的核心，是电子系统中负责数据存储的核心硬件单元，主要包括 DRAM、NOR Flash、 NAND Flash 三类，性能

7、指标包括容量、操作速度、频带宽度、功耗体积、组装密度、可靠性和信息的可保持性 等。与其他芯片相比，存储器芯片的测试更关注打扰、预充及译码等，确保芯片不包含存储单元短路/开路、相 邻单元短路/开路、存储单元干扰等错误。随着存储器接口速率不断提高、读写性能和存储容量不断提升，测试设备面临着更大的挑战，需要满足并测数增多、测试速率提高、测试项更复杂、功率密度增大等需求。RF 测试机：核心射频板卡的研发难度大，但软件和系统方面的复杂度比 SoC 测试机低。射频芯片是将射频信号 和数字信号进行转化的芯片，同时包含一个发射器和接收器，分别用于发送和接收信号，接收器的功能基本上是 发送器的反向过程。射频芯片

8、的主要测试指标为驻波、插损、中心频率、带宽、带内波动、带外抑制、群时延等， 测试难点在于：1）被测器件越来越小，测试频率越来越高，许多器件尺寸小于 1mm，而测试频率要高达 40GHZ 以上；2）量测精度要求非常高，板卡的研发难度大。分立器件测试机：仅 IGBT 等大功率器件和第三代半导体器件有一定难度。分立器件是指在可直接用于处理电能 的主电路中，实现电能的变换或控制的电子器件，其作用主要是功率转换、功率放大、功率开关、线路保护和整 流等，按照功率、电流指标划分为小信号器件和功率器件。小信号器件由于价值相对较低，测试项目较为稳定， 通过提升测试效率降低测试成本是最主要的考量因素；大功率器件和

9、第三代半导体在高压和大电流参数等方面要 求较高，除了常规直流参数以外，还需要进行包括雪崩测试、热阻测试、TRR 测试、RG 测试、QG 测试、导通 电阻（DRDSON）测试、IGBT 开关时间测试等动态参数的测试，对测试系统结构设计、电路设计能力、电源控 制能力、电流电压过载保护能力、信号抗干扰能力、测试精度和应用经验要求较高，相对有一定难度。模拟芯片测试机：难度相对不高。模拟芯片的主要作用是产生、放大和处理连续函数形式的模拟信号，如声音、 光线、温度等，数模混合芯片是指输入模拟或数字信号，输出为数字或模拟信号的集成电路。模拟测试板卡不需 要复杂的 FPGA、ASIC 定制芯片，对速度，算法，

10、向量深度，协议软件和调试工具要求均不高，只需要最基本 的少量数字通道和矢量深度，所需要的协议和调试工具也只有几种，技术门槛最低。据测算，22 年全球 ATE 市场规模约 47.1 亿美元，中国大陆约 11.08 亿美元。根据 2018 年各细分产品的市占率及 VLSI 与 SEMI 对 2020-2025 年半导体测试设备市场规模的估计，我们假设：1）后道测试设备中测试机约占 60%；2） 测试机中数字、存储器、射频、分立器件、模拟及数模混合领域市占率分别约为 58%、25%、1%、1%、15%；3） 测试机需求结构保持稳定。测算得到，2021-2023 年全球测试机市场规模从 44.8 亿美

11、元增长至 53.1 亿美元，2024 年小幅下滑至 49.2 亿美元，2025 年再次回升至 51 亿美元。其中数字测试机的市场规模在 2021-2025 年间的波动范 围是 26-30.8 亿美元，存储器测试机、射频测试机、分立器件测试机、模拟及数模混合测试机的波动范围分别是 11.2-13.3、0.4-0.53、0.49-0.53、6.72-7.97 亿美元。中国大陆 2020 年半导体产品需求结构整体上与全球市场接近，但供给方面，数字芯片国产化率相对其他细分产品更 低，更依赖进口，因此我们假设：1）我国半导体测试设备占全球比重将增长至 25%；2）测试机中数字、存储器、 射频、分立器件、

12、模拟及数模混合领域市占率分别约为 41%、35%、2%、2%、20%。测算得到，2021-2023 年中国 大陆测试机市场规模从 10.01 亿美元增长至 12.74 亿美元，2024 年小幅下滑至 12.3 亿美元，2025 年再次回升至 12.75 亿美元。其中数字测试机的市场规模在 2021-2025 年间的波动范围 4.07-5.21 亿美元，存储器测试机、射频测试机、3.半导体测试机市场高度集中全球半导体测试系统行业由海外制造商主导，市场高度集中，2020 年 CR4 接近 90%。第一梯队为泰瑞达（Teradyne） 与爱德万（Advantest），二者产品线齐全，在存储器、数字、

13、SoC、模拟及数模混合测试系统均有所布局，爱德万 在存储器测试机上更强，泰瑞达在 SoC 测试机领域更具优势，2020 年泰瑞达和爱德万合计市场占有率超过 75%。第 二梯队为科休（Cohu）和美国国家仪器（NI），科休在 SOC 测试机和 RF 测试机具有一定竞争力，同时是高端三温 型分选机领域的领先厂商；NI 的主要产品为 RF 测试机，凭借其高性价比优势广泛用于射频前端芯片测试，2020 年 科休和 NI 的市占率分别为 9%、4%。国产模拟及分立器件测试机已实现进口替代。1983 年，我国正式开始国产 ATE 测试系统研制，彼时国外先进厂商已 经研制出超大规模集成电路（VLSI）测试系

14、统，而当前国内主要的 ATE 厂商到 20 世纪 90 年代才开始陆续成立，因 此我国企业进入市场较晚，技术上有明显差距。经过多年的研发投入和技术迭代，以华峰测控为首的国内企业在模拟、 数模混合、分立器件测试机领域打破了国外厂商的垄断地位，自给率达到 85%。2021 年国内模拟及数模混合测试机 市场规模约 2 亿美元，华峰测控市占率达到 50-60%。但在难度更高的 SoC、存储器、RF 测试机领域，国内尚无成 熟产品取得突破，自给率均在 5%以下，合计存在约 60 亿元的替代空间。模拟及分立器件测试机率先实现进口替代的原因主要有二： 1）技术上更易突破。不同于数字芯片，模拟芯片对制程的要求

15、不高，更依赖人工设计和经验积累，细分品类多，生 命周期长，全球模拟芯片龙头德州仪器能够提供超过 80000 种模拟芯片产品，其 1979 年推出的音频运算放大器 NE5532 至今还在销售，产品寿命已经超过 40 年。分立器件也具有相似的特点，技术迭代相对缓慢，MOSFET/IGBT 等芯片设计架构基本成型，因此，模拟芯片和分立器件的测试需求较稳定。叠加这两类测试机的技术难度相对较低， 国内企业更容易实现技术上的突破，而数字芯片遵循摩尔定律，迭代快，测试机也需要根据新产品、新标准进行升级， 对于积累较少的企业来说难度更大。2）分享下游封测厂的黄金成长期。集成电路的制造分为设计、制造、封测三个环

16、节，封测环节壁垒最低，偏劳动密 集型，是我国半导体发展最早、取得突破最多的环节，因此进口替代进程最快。本土三强封测厂（长电科技、通富微 电、华天科技）在国内的市占率不断提升，2004-2008 年在 6%-8%之间波动，2009 进入快速发展阶段，2015 年以 来提升更为明显，2020 年达到 18.2%，且三家公司已经成为全球前 10 大封测厂，站上国际竞争的舞台。封测厂是 ATE 测试机最主要的下游，国产 ATE 的发展离不开封测厂的推动，以华峰测控为例，其主力机型 STS 8200 测试系 统开发于 2008 年，量产于 2011 年，与主流封测厂快速扩张时间基本一致。且封测厂由于壁垒

17、较低，竞争激烈，毛 利率较低，更愿意采购性价比更高的国产设备。受益于此，国产模拟测试机率先实现了进口替代。4.半导体测试机长生命周期、高客户粘性构建先发者护城河ATE 的更新需求主要体现在板卡与测试软件的更新迭代，因此机型平台的延展性和兼容性非常重要。 板卡（DUT board / load board / interface board）是连接测试头（Test Head）和被测器件（DUT）的专用 PCB，负 责数据采集、处理和输出，通常针对特定的 DUT 进行定制。测试机公司会设计一系列不同性能的标准板卡，用户根 据测试需求选择相应的板卡，并使用测试程序进行测试。 测试程序是驱动板卡的可编

18、程程序，主要实现信号发生、信号采集、大数据分析处理、管理协调各类板卡等功能。 ATE 硬件迭代速度较慢，更换板卡、升级检测程序就可以提升 ATE 的检测性能、满足不同的测试需求。因此优秀的 ATE 产品是“铁打的平台，流水的板卡及程序”，需要具备良好的平台延展性和兼容性。板卡设计和测试程序编写也 是 ATE 的核心技术壁垒，难度随着 DUT 复杂程度、并测数量、测试速度的增加而增加。从整机视角看，ATE 技术演进路线相对缓慢，长生命周期构筑高壁垒。芯片制造技术遵循摩尔定律每 18 个月进阶一 次，但是 ATE 不属于工艺设备，摩尔定律对封测技术驱动不显著；对于同类芯片，测试内容万变不离其宗，更

19、换板 卡和驱动程序即可升级测试机性能，并不一定要更换整机，因此具备技术兼容性是 ATE 十分重要的卖点。爱德万 1998 年就完成平台框架搭建的 V93000、泰瑞达 1999 年上市的 Ultra 系列至今仍是国际上主流的 ATE。ATE 整机的技术 迭代周期长达 10-20 年，1990 年至今，在制程不断缩小的情况下，ATE 整机只经历了三代大的技术变革，分别是 1990-2000 年的多功能测试机、2000-2015 年的多通道测试机、2015 年以来的高复杂度测试机。ATE 的长生命周期 对于已打入检测供应的厂商来说，有利于建立长期稳定的供应关系，可以长期享受技术沉淀的成果；但对于后

20、来者来 说，一定程度上提高了进入门槛。ATE 行业的另一特点是下游客户的品牌选择相互影响，选定后粘性极高。ATE 的下游客户为 IC 设计公司和封测厂， 二者对测试机品牌的选择相互影响，共同构建 ATE 的产业生态。一方面，封测厂需要测试的芯片种类广，对设备要 求高，对 ATE 的采购量大，因此更加倾向于经过市场验证的主流机型，以保证板卡持续更新迭代、满足广泛被测器 件的测试需求；IC 设计企业对 ATE 的采购量更小，没有特殊测试需求的 IC 设计企业会选择下游封测厂的同款 ATE， 以保证测试结构和芯片品质的稳定。另一方面，部分高端/特色 IC 设计企业会根据特定的芯片测试需求，自行采购 ATE 用于芯片前期的设计验证阶段，并采购部分 ATE 存放于封测厂用于后续生产，以保证 IC 设计流程稳定，把控 IC 生 产封装品质；为了更好地符合 IC 设计企业的精度要求，IC 设计企业使用的测试机也会成为封测厂的首选。无论是 IC 设计企业还是封测厂，一旦选定了某一品牌的 ATE 便不会轻易更换，以满足后续升级或定制设备等需求，因此 ATE 的市场扩张是滚雪球式的，早期得到市场认可的 ATE 的渗透速度会加快，先进入者更容易构建产业生态壁垒。