發布日期：2022-10-09 點擊率：101
【導讀】集成電路應用領域覆蓋了幾乎所有的電子設備，是計算機、家用電器、數碼電子、自動化、通信、航天等諸多產業發展的基礎，是現代工業的生命線，也是改造和提升傳統產業的核心技術。按其功能、結構的不同，集成電路又可以分為模擬集成電路、數字集成電路和數模混合集成電路等。 集成電路的生產流程可分為設計、制造、封裝與測試三個步驟。
集成電路是半導體產業的核心，占整個半導體行業規模的 80%以上。 半導體產業主要包括集成電路（Integrated Circuit，簡稱 IC）和分立器件兩大類，各分支包含的種類繁多且應用廣泛。
集成電路的主要生產環節
集成電路的測試完整貫穿了集成電路三大生產過程，主要包括： 1）芯片設計中的設計驗證； 2）晶圓制造中的晶圓檢測； 3）封裝完成后的成品測試。 無論哪個階段，要測試芯片的各項功能指標必須完成兩個步驟，一是將芯片的引腳與測試機的功能模塊連接起來，二是要通過測試機對芯片施加輸入信號，并檢測芯片的輸出信號，判斷芯片功能和性能指標的有效性。
集成電路的生產流程示意圖
（1）設計驗證環節
設計驗證指芯片設計公司分別使用測試機和探針臺、測試機和分選機對晶圓樣品檢測和集成電路封裝樣品的成品測試，驗證樣品功能和性能的有效性。
（2）晶圓檢測環節
晶圓檢測是指在晶圓制造完成后進行封裝前，通過探針臺和測試機配合使用，對晶圓上的芯片進行功能和電參數性能測試，其測試過程為：探針臺將晶圓逐片自動傳送至測試位置，芯片的 Pad 點通過探針、專用連接線與測試機的功能模塊進行連接，測試機對芯片施加輸入信號、采集輸出信號，判斷芯片在不同工作條件下功能和性能的有效性。測試結果通過
通信接口傳送給探針臺，探針臺據此對芯片進行打點標記，形成晶圓的 Map 圖。
（3）成品測試環節
成品測試是指芯片完成封裝后，通過分選機和測試機配合使用，對集成電路進行功能和電參數性能測試，保證出廠的每顆集成電路的功能和性能指標能夠達到設計規范要求。其測試過程為：分選機將被檢測集成電路逐個自動傳送至測試工位，被檢測集成電路的引腳通過測試工位上的金手指、專用連接線與測試機的功能模塊進行連接，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。測試結果通過通信接口傳送給分選機，分選機據此對被測試集成電路進行標記、分選、收料或編帶。
集成電路的檢測環節至關重要，是提高芯片制造水平的關鍵之一。 集成電路生產需經過幾十步甚至幾百步的工藝，其中任何一步的錯誤都可能是最后導致器件失效的原因，同時版圖設計是否合理、產品是否可靠，都需要通過集成電路的功能及參數測試才能驗證。
集成電路測試的三大核心設備
設備制造業是集成電路的基礎產業，是完成晶圓制造、封裝測試環節和實現集成電路技術進步的關鍵，在集成電路生產線投資中設備投資達總資本支出的 80%左右（SEMI 估計）。
所需專用設備主要包括晶圓制造環節所需的光刻機、化學汽相淀積（CVD）設備、刻蝕機、離子注入機、表面處理設備等；封裝環節所需的切割減薄設備、度量缺陷檢測設備、鍵合封裝設備等；測試環節所需的測試機、分選機、探針臺等；以及其他前端工序所需的擴散、氧化及清洗設備等。 這些設備的制造需要綜合運用光學、物理、化學等科學技術，具有技術含量高、制造難度大、設備價值高等特點。
集成電路的測試設備主要包括測試機、分選機和探針臺等。作為重要的專用設備，集成電路測試設備不僅可判斷被測芯片或器件的合格性，還可提供關于設計、制造過程的薄弱環節信息，有助于提高芯片制造水平。其中：
測試機是檢測芯片功能和性能的專用設備。 測試機對芯片施加輸入信號，采集被檢測芯片的輸出信號與預期值進行比較，判斷芯片在不同工作條件下功能和性能的有效性。
分選機和探針臺是將芯片的引腳與測試機的功能模塊連接起來并實現批量自動化測試的專用設備。 在設計驗證和成品測試環節，測試機需要和分選機配合使用；在晶圓檢測環節，測試機需要和探針臺配合使用。
集成電路的三大測試設備示意圖
集成電路測試設備的技術壁壘較高。 集成電路行業集計算機、自動化、通信、精密電子測試和微電子等技術于一身，是技術密集、知識密集的高科技行業，集成電路的可靠性、穩定性和一致性要求較高，對生產設備要求較高。
集成電路測試設備的技術難點：
（一）測試機
（1）由于集成電路參數項目越來越多，如電壓、電流、時間、溫度、電阻、電容、頻率、脈寬、占空比等，對測試機功能模塊的需求越來越多；
（2）客戶對集成電路測試精度要求越來越高（微伏、微安級精度），如對測試機鉗位精度要求從1%提升至 0.25%、時間測量精度提高到微秒級，對測試機測試精度要求越趨嚴格；
（3）隨著集成電路應用越趨于廣泛，需求量越來越大，對測試成本要求越來越高，因此對測試機的測試速度要求越來越高（如源的響應速度要求達到微秒級）；
（4）集成電路產品門類的增加，要求測試設備具備通用化軟件開發平臺，方便客戶進行二次應用程序開發，以適應不同產品的測試需求；測試設備供應商對設備；
（5）狀態、測試參數監控、生產質量數據分析等方面，結合大數據的應用，對測試機的數據存儲、采集、分析方面提出了較高的要求。
（二）分選機
（1）由于集成電路的小型化和集成化特征，分選機對自動化高速重復定位控制能力和測壓精度要求較高，誤差精度普遍要求在 0.01mm 等級；
（2）分選機的批量自動化作業要求其具備較強的運行穩定性，例如對 UPH（每小時運送集成電路數量）和 Jam Rate（故障停機比率）的要求很高；
（3）集成電路封裝形式的多樣性要求分選機具備對不同封裝形式集成電路進行測試時能夠快速切換的能力，從而形成較強的柔性化生產能力及適應性；
（4）集成電路測試對外部測試環境有一定要求，例如部分集成電路測試要求在-55—150℃的多種溫度測試環境、無磁場干擾測試環境、多種外場疊加的測試環境中進行，如何給定相應的測試環境是分選機技術難點。
（三）探針臺
（1）探針臺精度要求非常嚴苛，重復定位精度要求達到 0.001mm（微米）等級；
（2）晶圓檢測對于設備穩定性要求較高，各個執行器件均需進行多余度的控制，晶圓損傷率要求控制在 1ppm（百萬分之一）以內；
（3）晶圓檢測需具備多套視覺精密測量及定位系統，并具備視覺相互標定、多個坐標系互相擬合的功能；
（4）探針臺對設備工作環境潔凈度要求較高，除需達到幾乎無人干預的全自動化作業，對傳動機構低粉塵提出要求，還需具備氣流除塵等特殊功能。
本土測試設備企業進入成長期
集成電路產業鏈開始向專業化分工的垂直分工模式發展。 作為半導體行業的核心，集成電路在近半個世紀里獲得快速發展。早期的集成電路企業以 IDM（Integrated Device Manufacturing）模式為主， IDM 模式也稱為垂直集成模式，即 IC 制造商（IDM）自行設計、并將自行生產加工、封裝、測試后的成品芯片銷售。隨著加工技術的日益成熟和標準化程度的不斷提高，集成電路產業鏈開始向專業化分工方向發展， 逐步形成了獨立的芯片
設計企業（Fabless）、晶圓制造代工企業（Foundry）、封裝測試企業（Package & Testing House），并形成了新的產業模式——垂直分工模式。
在垂直分工模式下，設計、制造和封裝測試分離成集成電路產業鏈中的獨立一環。 據國際半導體協會統計，從全球產業鏈分布而言， 2015 年芯片設計、晶圓制造和封裝測試的收入約占產業鏈整體銷售收入的 27%、 51%和 22%。目前雖然全球半導體前 20 大廠商中大部分仍為 IDM 廠商，如三星（Samsung）、英特爾（Intel）、德州儀器（TI）、東芝（Toshiba）、意法半導體（ST）等，但由于近年來半導體技術研發成本以及晶圓生產線投資成本呈指數級上揚，更多的 IDM 廠商開始采用輕晶圓制造（Fab-lite）模式，即將晶圓委托晶圓制造代工商制造，甚至直接變成獨立的芯片設計企業，如超微（AMD）、恩智浦（NXP）和瑞薩（Renesas）等，垂直分工已成為半導體行業經營模式的發展方向。
集成電路行業的主要企業模式
我國垂直分工模式的芯片產業鏈初步搭建成形，產業上中下游已然打通，涌現出一批實力較強的代表性本土企業。 集成電路是基礎性、先導性產業，涉及國家信息安全，做大做強集成電路產業已成為國家產業轉型的戰略先導。近年來，中國集成電路技術水平與國際差距不斷縮小，產業已經進入快速發展的軌道，其中主要包括以華為海思、紫光展銳等為核心的芯片設計公司，以中芯國際、上海華虹為代表的晶圓代工制造商，以及以長電科技、華天科技、通富微電等為龍頭的芯片封測企業，此外還包括采用 IDM 模式的華潤微電子、士蘭微等。構筑完成的產業生態體系具備實現集成電路專用設備進口替代并解決國內較大市場缺口的基礎。
集成電路產業鏈結構示意圖
一、上游——集成電路設計
近年來我國大陸地區芯片設計業發展迅速， 中國半導體行業協會數據顯示該細分產業收入占比由 2010 年的 27%提高至 2015 年的 37%， 15 年銷售額規模達 1,325 億元，成為三個細分產業中增長最快的領域，有力帶動了我國芯片設計水平的提高。
據 SEMI 統計， 2015 年全球芯片設計企業（Fabless）前 50 名廠商中，大陸企業占據 9位，而在 2009 年大陸只有 1 名企業入圍，華為旗下海思半導體、紫光集團旗下紫光展銳等內資企業已具備一定全球市場競爭力，其中華為海思已進入全球芯片設計企業前 10 名的行列。我國集成電路設計企業的崛起有力推動了晶圓制造企業和封裝測試企業的發展。
二、中游——晶圓制造加工
晶圓制造屬于重資產領域，對設備和資金的需求很高，企業為保持競爭力而每年用于采購設備等資本性開支比例很高。同時制造企業需要不斷追趕先進制程， 1995 年以來，芯片制造工藝經歷了從 0.5 微米到目前 28nm、 16/14nm 的發展過程，從 65nm 開始，晶圓制造生產線投資呈幾何級數的增長，隨著集成電路制程節點的縮小，制造技術難度成倍增加，
能跟隨工藝發展的制造廠商越來越少。
目前，在晶圓制造代工領域，全球市場高度集中， SEMI 數據顯示 2015 年全球前 10 名廠商占據全球 91.7%的市場份額，其中臺灣積體電路制造公司（TSMC）占據壟斷地位。由于制造業投資回報期長、資金需求量較大，以及發達國家和地區針對先進技術采取授權許可等方式對我國大陸地區設置重重障礙，我國大陸地區集成電路制造領域中目前僅中芯國際（中芯國際集成電路制造有限公司）、上海華虹（上海華虹宏力半導體制造有限公司）等少數企業占據一定市場份額。
三、下游——封裝與測試
基于我國在成本以及貼近消費市場等方面的優勢，近年來全球半導體廠商紛紛將封測廠轉移到中國，如飛思卡爾半導體（Freescale）于 2004 年在天津成立飛思卡爾半導體（中國）有限公司從事封測等業務。
目前封裝測試業已成為我國集成電路產業鏈中最具有國際競爭力的環節。 國際先進技術的進入帶動我國封測技術的不斷提高，當前國內封測產業呈現外商獨資、中外合資和內資三足鼎立的局面，內資封裝產業已形成一定的競爭力，長電科技、華天科技、通富微電等內資企業已進入全球封測企業前 20 名，并通過海外收購或兼并重組等方式不斷參與到國際競爭中，先進封裝產能得到大幅提升。
四、集成電路測試設備制造
貫穿生產全程的集成電路的測試設備制造企業也是產業鏈的重要組成之一。 集成電路測試設備的技術水平是集成電路測試技術進步的重要標志，測試設備在測試精度、測試速度、并測能力、自動化程度和測試可靠性等方面有著較高要求。由于測試環節是貫穿集成電路生產過程的重要流程，測試設備制造企業在產業鏈中也占據著重要地位，是上中下游各類企業完成檢測工藝的有力支撐。
目前國內測試設備市場仍由海外制造商主導， 市場集中度高。 國外知名企業憑借較強的技術、品牌優勢，在高端市場占據領先地位，面對我國較大的市場需求和相對較低的生產成本，紛紛通過在我國建立獨資企業、合資建廠的方式占領大部分國內市場， 據中國半導體行業協會統計 2015 年在測試設備行業美國泰瑞達（Teradyne）、日本愛德萬（Advantest）、美國安捷倫（Agilent）、美國科利登（Xcerra）和美國科休（Cohu）占據了約 80%以上的國內市場份額。
少數優秀的本土測試設備制造商正在奮起直追。 本土企業中，包括長川科技、上海中微半導體、北方微電子、七星電子、北京華峰等業內少數專用設備制造商通過多年的研發和積累，已掌握了相關核心技術，擁有自主知識產權，具備較大規模和一定品牌知名度，占據了一定市場份額，其中以長川科技、北京華峰為代表的測試設備優勢企業產品已成功進入國內封測龍頭企業供應鏈體系，奠定了一定的市場地位。與國外知名企業相比，國內優勢企業對客戶需求更為理解，服務方式更為靈活，產品性價比更高，具有一定的本土優勢。
國內外集成電路測試設備主要制造商概況：
（1）美國泰瑞達（Teradyne）
泰瑞達成立于 1960 年，系美國紐約交易所上市公司（股票代碼： TER），是全球知名的半導體測試設備供應商，產品主要用于半導體、板卡及電子系統的測試領域，能滿足模擬、混合信號、邏輯器件、存儲器及超大規模集成電路等領域的測試要求。 2001 年，泰瑞達在上海成立中國總公司，隨后在北京、深圳、蘇州、天津和無錫等地設立辦事處。
（2）日本愛德萬（Advantest）
愛德萬成立于 1954 年，系東京證券交易所上市公司（股票代碼： 6857）和美國紐約交易所上市公司（股票代碼： ATE）。該公司在 2011 年成功收購惠瑞捷（Verigy）后成為全球半導體產業知名測試設備供應商，主要產品包括數字測試機、存儲器測試機、混合信號測試機、 LCD Driver 測試機、動態機械手等。
（3）美國安捷倫（Agilent）
安捷倫自 1999 年從惠普研發有限公司分離出來，承襲惠普全部測試測量業務，該公司系紐交所上市公司（股票代碼： A），產品覆蓋電子測量和生命科學/化學分析兩大領域。
（4）美國科利登（Xcerra）
科利登成立于 1976 年，系美國納斯達克上市公司（股票代碼 XCRA），是全球領先的半導體測試解決方案供應商，聚合了 Atg Luther&Maelzer、 Everett Charles Technologies（ECT）、 LTX-Credence、 Multitest 等四大半導體及電路板測試設備品牌。
（5）美國科休（Cohu）
科休成立于 1945 年，系美國納斯達克上市公司（股票代碼： COHU），是全球知名的半導體測試和檢測分選機、 MEMS測試模組、測試接觸器和溫度子系統的供應商。科休先后收購了 Rasco、 Delta Design 和馬來西亞 Ismeca，開展多品牌運營。
（6）日本愛普生（Epson）
愛普生成立于 1942 年，系東京證券交易所上市公司（股票代碼： 6724），該公司產品線涉及范圍較廣，涵蓋了噴墨打印機、打印系統、 3LCD 投影機、工業機器人、智能眼鏡和傳感系統等，在半導體測試領域，該公司首創了平移式分選機。
（7）臺灣鴻勁科技（Hon Tech）
鴻勁科技成立于 1995 年，系一家半導體封裝測試設備專業制造商，主要產品包括邏輯 IC 測試分選機、系統級 IC 測試分選機、閃存卡測試分選機和精密芯片自動光學檢測的分選設備等。
（8）北京華峰
北京華峰成立于 1993 年，主要從事半導體元器件測試設備和專用智能化測試機的研制、生產、銷售和技術服務，該公司擁有 STS 三大系列 10 多個型號的元器件測試機，產品應用于國防重點型號項目、民用電子、科研教學試驗等領域。
（9）上海中藝
上海中藝成立于 2001 年，主要從事集成電路自動化設備的研發、制造、銷售，主要產品包括集成電路分選機、編帶機等。
5000 億中國集成電路銷售孕育 500 億元設備銷售市場
近三年全球半導體市場規模穩定在 3300 億美元左右。2013 年以來隨著全球經濟的逐步復蘇， PC、手機、液晶電視等消費類電子產品需求不斷增加，同時在以物聯網、可穿戴設備、云計算、大數據、新能源、醫療電子和安防電子等為主的新興應用領域強勁需求的帶動下， 2014 年全球半導體銷售市場增速達 9.9%，銷售規模達 3,358 億美元， 2015~2016年全球半導體銷售市場規模與 2014 年基本持平，根據世界半導體貿易統計組織（WSTS）預測， 2017 年全球半導體市場規模有望增長至 3,465 億美元。
全球半導體市場規模及增速
2016 年全球半導體專用設備市場已達 400 億美元以上。 集成電路旺盛的市場需求帶動產業的不斷升級和投資的加大，有力促進了集成電路裝備制造行業的發展，因此集成電路專用設備市場與集成電路產業景氣狀況緊密相關。 2014 年以來全球集成電路市場開始復蘇，據國際半導體協會數據， 2015、 2016 年全球半導體專用設備銷售規模分別達 365 億美元和 412 億美元，其中測試設備銷售額分別為 33 億美元和 36 億美元。
2017 年全球半導體測試設備市場有望保持 35 億美元規模。 隨著下游電子、汽車、通信等行業需求的穩步增長，以及物聯網、云計算及大數據等新興領域的快速發展，集成電路產業面臨著新型芯片及先進制程的產能擴張需求，為包括測試設備在內的集成電路專用設備行業帶來了廣闊的市場空間。伴隨著芯片尺寸及線條的縮小，用于檢驗和測試 FinFETs、3D NAND 等新型芯片的測試設備需求不斷增加，由于尺寸減小相應參數信號也會減弱，這對測試設備提出更高要求。 SEMI 預測 2017 年全球半導體設備市場規模 411 億美元，其中測試設備市場規模 35 億美元。
全球半導體專用設備（含測試設備）市場規模及測試設備占比
2017 年中國集成電路專用設備銷售規模有望達 500 億元，中國設備市場的全球占比不斷提高。 作為全球集成電路消費市場最大的國家，我國集成電路產業規模不斷擴大，同時隨著國際產能不斷向我國大陸地區轉移，英特爾（Intel）、三星（Samsung）等國際大廠陸續在我國大陸地區投資建廠，我國大陸地區對集成電路配套裝備的需求很大。 2012~2016年我國大陸地區半導體專用設備銷售規模由 25.0 億美元增長至 64.6 億美元，占全球市場比例由 6.8%提升到了 15.7%。SEMI 預計未來我國大陸地區集成電路專用設備市場仍將保持增長態勢， 2017 年市場規模將達 72.4 億美元（約合 500 億元人民幣）。
中國半導體專用設備市場規模及全球占比
趁機崛起的中國測試設備企業
以中國市場為核心的亞太地區（除日本）已成為全球最龐大的集成電路消費市場， 據 WSTS統計 2015 年占比已達 60%。 分地區而言，亞太地區（除日本）已成為全球半導體市場增長最為迅猛的區域， 2000~2015 年期間復合增長率達 9.54%，遠高于全球 3.35%的水平，2015 年該地區半導體市場銷售規模達 2,011 億美元，占全球市場規模的 60%。中國市場已成為推動亞太地區（除日本）發展的重要推動力，其次為北美（20.51%）、歐洲（10.22%）和日本（9.28%）。 WSTS 預測 2017 年亞太地區（除日本）仍將保持穩定增長，市場規模將達 2,078 億美元。
我國已成為全球集成電路增長最快的主要消費市場。 近十余年來隨著全球集成電路市場逐漸步入成熟發展階段，全球產業增速有所放緩，然而與此同時，伴隨著我國經濟的高速發展，我國智能手機、平板電腦、汽車電子、工業控制、儀器儀表以及智能照明、智能家居等物聯網市場快速發展，尤其智能手機和平板電腦市場快速增長，我國對各類集成電路產品需求不斷增長，據 WSTS 統計 2000 年我國集成電路市場消費規模僅為 945 億元人民幣，到 2015 年已增長至 11,024 億元人民幣，年均復合增長率高達 17.80%， 2015 年我國集成電路消費市場規模在全球市場中所占比重超過 50%。
集成電路專用設備的進口依賴問題同樣嚴重。 集成電路裝備業具有較高的技術壁壘、市場壁壘和客戶認知壁壘，由于我國集成電路專用設備產業整體起步較晚，目前國產集成電路專用設備行業規模仍然較小。
中國半導體行業協會數據顯示， 2015 年我國大陸地區半導體專用設備市場銷售規模達 304.60 億元，其中國產集成電路設備銷售額僅為 22.92 億元，國產市場份額僅占 7.5%，國內專用設備市場仍主要由美國應用材料（Applied Material）、美國泛林半導體（Lam Research）、日本東京電子（TokyoElectron）、日本愛德萬（Advantest）、美國科磊（KLA-Tencor）等國外知名企業所占據。集成電路專用設備是集成電路產業發展的重要基石，專用設備的大量依賴進口不僅嚴重影響我國集成電路的產業發展，也對我國電子信息安全造成重大隱患。
全球集成電路產能重心轉向中國是大勢所趨，轉移進程正在加速。 一方面，向我國轉移產能可以更好的參與市場競爭；另一方面，我國具備低成本優勢，也具備承接產能轉移的基礎。全球各大集成電路企業，如英特爾、三星、格羅方德（GlobalFoundries）、 IBM、日月光（ASE）、意法半導體（ST）、飛思卡爾半導體（Freescale）等已陸續在我國建設工廠或代工廠，向我國轉移產能。
除英特爾、三星與 SK 海力士大廠早已在中國插旗，在大陸建設 12 寸晶圓廠外，中芯國際、長江存儲旗下武漢新芯、臺積電、晉華集成、格羅方德等都已在內地多個城市布局 12 寸晶圓廠。根據 SEMI 發布的報告，預計 2017~2020 年間投產的半導體晶圓廠為 62 座，其中 26 座設于中國，占全球總數 42%。
中國在建 12 寸晶圓廠項目概況
我國發展最快的封裝測試產業環節是測試設備最主要的需求領域。 測試設備市場需求主要來源于下游封裝測試企業、晶圓制造企業和芯片設計企業，其中又以封裝測試企業為主。
目前，封裝測試業已成為我國集成電路產業鏈中最具國際競爭力的環節，封裝測試產業在我國的快速發展有力促進了測試設備的市場需求。
我們認為，隨著國內集成電路產品市場需求的不斷增長以及國產芯片替代進口的不斷推進，集成電路行業將迎來新一輪的投資周期， 以長川科技為代表的本土專用設備制造商有望充分受益集成電路產能轉移帶來的市場發展空間。
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