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一文看懂ATE,国产机会在哪里?

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半导体测试贯穿设计、生产过程的核心环节。半导体测试就是通过测量半导体的输出响应和预期输出并进行比较以确定或评估集成电路功能和性能的过程,其测试内容主要为电学参数测试。一般来说,每个芯片都要经过两类测试:

(1)参数测试。参数测试是确定芯片管脚是否符合各种上升和下降时间、建立和保持时间、高低电压阈值和高低电流规范,包括DC(Direct Current)参数测试与AC(Alternating Current)参数测试。DC参数测试包括短路测试、开路测试、最大电流测试等。AC参数测试包括传输延迟测试、建立和保持时间测试、功能速度测试等。这些测试通常都是与工艺相关的。CMOS输出电压测量不需要负载,而TTL器件则需要电流负载。

(2)功能测试。功能测试决定芯片的内部数字逻辑和模拟子系统的行为是否符合期望。这些测试由输入适量和相应的响应构成。他们通过测试芯片内部节点来检查一个验证过的设计是否正产工作。功能测试对逻辑电路的典型故障有很高的覆盖率。

测试成本与测试时间成正比,而测试时间取决于测试行为,包括低速的参数测试和高速的矢量测试(功能测试)。其中参数测试的时间与管脚的数目成比例,适量测试的时间依赖于矢量的数目和时钟频率。测试的成本主要是功能测试。

半导体测试贯穿设计、制造、封装、应用全过程。从最初形成满足特定功能需求的芯片设计,经过晶圆制造、封装环节,在最终形成合格产品前,需要检测产品是否符合各种规范。按生产流程分类。半导体测试可以按生产流程可以分为三类:验证测试、晶圆测试测试、封装检测。

(1) 验证测试:又称实验室测试或特性测试,是在器件进入量产之前验证设计是否正确,需要进行功能测试和全面的AC/DC。特性测试确定器件工作参数的范围。通常测试最坏情况,因为它比平均情况更容易评估,并且通过此类测试的器件将会在其他任何条件下工作。

(2) 晶圆测试:每一块加加工完成后的芯片都需要进行晶圆测试,他没有特性测试全面,但必须判定芯片是否符合设计的质量和需求。测试矢量需要高的故障覆盖率,但不需要覆盖所有的功能和数据类型。晶圆测试主要考虑的是测试成本,需要测试时间最小,只做通过/不通过的判决。

(3) 封装测试:是在封装完成后的测试。根据具体情况,这个测试内容可以与生产测试相似,或者比生产测试更全面一些,甚至可以在特定的应用系统中测试。封装测试最重要的目标就是避免将有缺陷的器件放入系统之中。晶圆测试又称前道测试、“Circuit porbing”(即CP测试)、“Wafer porbing”或者“Die sort”。

晶圆测试大致分为两个步骤:

①单晶硅棒经标准制程制作的晶圆,在芯片之间的划片道上会有预设的测试结构图,在首层金属刻蚀完成后,对测试结构图进行晶圆可靠性参数测试(WAT)来监控晶圆制作工艺是否稳定,对不合格的芯片进行墨点标记,得到芯片和微电子测试结构的统计量;

②晶圆制作完成后,针对制作工艺合格的晶圆再进行CP测试(Circuit Probing),通过完成晶圆上芯片的电参数测试,反馈芯片设计环节的信息。完成晶圆测试后,合格产品才会进入切片和封装步骤。

封装测试:在一个Die封装之后,需要经过生产流程中的再次测试。这次测试称为“Final test”(即通常说的FT测试)或“Package test”、成品测试。在电路的特性要求界限方面,FT测试通常执行比CP测试更为严格的标准。芯片也许会在多组温度条件下进行多次测试以确保那些对温度敏感的特征参数。商业用途(民品)芯片通常会经过0℃、25℃和75℃条件下的测试,而军事用途(军品)芯片则需要经过 -55℃、25℃和125℃。

不同测试环节的测试参数和应用场景稍有区别。晶圆测试的对象是未划片的整个晶圆,属于在前端工序中对半成品的测试,目的是监控前道工艺良率,并降低后道封装成本。而成品测试是对完成封装的集成电路产品进行最后的质量检测,主要是针对芯片应用方面的测试,有些甚至是待机测试,以保证出厂产品的合格率。CP测试与成品测试的测试参数大体是相似的,但由于探针的容许电流有限,CP测试通常不能进行大电流测试项。此外,CP测试的常见室温为25℃左右,而成品测试有时需要在75-90℃的温度下进行。

半导体检测是产品良率和成本管理的重要环节,在半导体制造过程有着举足轻重的地位。面临降低测试成本和提高产品良率的压力,测试环节将在产业链中占据更为重要的地位。摩尔定律预测,芯片上的元器件数目每隔18个月会增加一倍,单位元器件的材料成本和制造成本会成倍降低,但芯片的复杂化将使测试成本不断增加。

根据ITRS的数据,单位晶体管的测试成本在2012年前后与制造成本持平,并在2014年之后完成超越,占据芯片总成本的35-55%。另外,随着芯片制程不断突破物理极限,集成度也越来越高,测试环节对产品良率的监控将会愈发重要。

ATE 迭代速度较慢,设备商充分享受技术沉淀成果

ATE迭代速度较慢,主力产品生命周期长。半导体自动化测试系统不属于工艺设备,和制程的直接相关度较低,产品迭代速度较慢,单类产品的存在时间较长,设备商享受技术沉淀成果。市场目前主流的ATE多是在同一测试技术平台通过更换不同测试模块来实现多种类别的测试,提高平台延展性。例如国际半导体测试机龙头泰瑞达的模拟及数模混合测试平台ETS-364/ETS-600由Eagle Test System于2001年推出,目前仍在泰瑞达官网销售。爱德万的V93000机型、T2000机型分别于1999年、2003年推出。根据爱德万官方数据,2014年V93000出货超过500台,截至2015年3月16日累计出货4000台,2017年更是创下累计出货5000台的记录,即使在2019年也有单笔订单超过30台的情况。

而这两款机型之所以能够维持如此好的销售成绩,是因为ATE设备仅需更换测试模块和板卡就可实现多种类测试以及测试性能提升,而不需要更换机器。V93000在更换AVI64模块之后将测试范围扩大到了电源市场和模拟市场,而更换PVI8板卡后不仅可以实现大功率电压/电流的测量,并且测试速度更快,测量更精准,更换WaveScale板卡后可实现高并行,多芯片同测及芯片内并行测试,大大降低了测试成本与时间。而T2000也可以通过组合不同的模块完成对SoC器件、RF、CMOS图像、大功率器件以及IGBT的测试。于是一款ATE设备可以在市场上存在20年之久且依然有良好的销售业绩,设备商从而可以享受技术沉淀的成果。

半导体测试机的技术核心在于功能集成、精度与速度、与可延展性。随着芯片工艺的发展,一片芯片上承载的功能越来越多,测试机需要测试的范围也越来越大,这就对测试机提出了考验,测试机的测试覆盖范围越广,能够测试的项目越多,就越受客户青睐。同时,企业购买测试机就是为了把不符合要求的产品精准地判断出来,于是测试机的测试精度也成了技术核心之一,测试精度的重要指标包括测试电流、电压、电容、时间量等参数的精度,先进设备一般能够在电流测量上能达到皮安(pA)量级的精度,在电压测量上达到微伏(μV)量级的精度,在电容测量上能达到0.01皮法(pF)量级的精度,在时间量测量上能达到百皮秒(pS)。

同时,随着市场对半导体的需求越来越大,半导体生产商为了提高出货速度,会希望测试的时间越少越好,这就要求测试机的测试速度越快越好,主要指标有响应速度等,先进设备的响应速度一般都达到了微秒级。最后,因为半导体的测试要求不同且发展很快,而测试机的投入较高,测试机的可延展性也成为了买家关心的重点,这项技术具体体现在测试机能否根据需要灵活地增加测试功能、通道和工位数。例如爱德万的T2000测试机就可以通过组合不同的测试模块从而灵活实现对数字、电源、模拟、功率器件、图像传感器和射频的测试等。

跟随半导体产品不断推进的测试需求。测试机的价格相对昂贵,通常为数百万元,针对不同测试对象而频繁更换测试机将带来大量资本开支。因此,目前的高端测试机已经由自动测试设备向开放式测试平台方向发展,基于开放式系统(如OpenStar2000等),通过搭建自定义的PXI模块,以适应日益增多的待测参数需求,增强了测试机的灵活性和兼容性。

由于元器件设计和生产工艺的不断进步,器件性能迅速提升,产品生命周期越来越短,相应的测试设备也必须及时升级换代,近年来国内集成电路测试需求主要包括:

①模拟信号测试强调大功率、高精度、覆盖关键交流参数;②数字信号测试从中低速向高速跨越式发展,测试通道数倍增;③混合信号测试从模拟信号测试中逐渐剥离,追求高速、高带宽、高采样率,射频(RF)测试的需求日渐增长;④存储器测试产品更新换代较快,需要独立的测试平台。

具备可观的市场空间,需求趋势向上

半导体测试设备具备可观的市场空间。半导体检测(包括过程工艺控制与半导体测试)的广泛应用以及对良率和成本的重要性,总体检测设备的投资与光刻、刻蚀等关键工艺相差无几。

根据SEMI数据,在全球半导体设备市场中,近年来前段晶圆加工设备部分,光刻、刻蚀、薄膜沉积设备各占约20%的市场;在检测设备领域,包括工艺过程控制、CP测试、FT测试等,其占整个半导体设备市场空间的大致在15%~20%,其中半导体测试设备(包括ATE、探针台、分选机)大概占比8%~10%。

半导体测试设备主要包括三类:ATE、探针台、分选机。其中测试功能由测试机实现,而探针台和分选机实现的则是机械功能,将被测晶圆/芯片拣选至测试机进行检测。探针台和分选机的主要区别在于,探针台针对的是晶圆级检测,而分选机则是针对封装的芯片级检测。根据SEMI,ATE大致占到半导体测试设备的2/3,探针台和分选机合计占到半导体测试设备的1/3。

从ATE的历史发展看,1960s行业起步,在1990s~2000s伴随下游行业快速增长。在半导体行业上一轮大的景气周期中(2001年-2009年),全球半导体测试设备销售额在2006年达到顶点,当年销售额达到64.2亿美元,占半导体设备总销售额的15.9%。

值得注意的是,在这一时期半导体测试设备行业处于快速成长期,下游需求旺盛,市场也在不断推出更适应当前需求的新产品,测试成本占比较高,在2003年到2006年半导体测试设备占半导体设备总销售额的比重都超过15%。

而随着测试产品逐步成熟,下游需求增长放缓,市场竞争开始加剧,测试设备成本被压缩,主要的成本向前道(主要是光刻、刻蚀、薄膜沉积设备、过成功工艺控制等)倾斜,同时测试设备市场份额逐步向头部集中。目前全球半导体测试设备市场已经非常成熟,测试设备占半导体设备销售额稳定在8%~10%。

根据SEMI数据,2018年全球半导体测试设备整体市场规模约56.3亿美元,其中,SoC类和数字集成电路测试设备市场规模约为25.5亿美元。2015-2018年全球半导体测试设备需求稳步增长,年均复合增速达到19.0%。

丰富的产业链客户,国产化趋势推动市场扩张

对应测试在半导体设计制造过程的应用,半导体测试系统企业的客户包含:(1)IDM模式下,IDM厂商。(2)晶圆分工模式下,IC设计企业(Fabless)、代工厂、封装测试企业(OSAT)。

此外,对国际大厂而言,原始设备制造商(OEM)是非常重要的一类客户,主要通过直接采购、以及通过对代工厂、封测厂的间接采购。从对ATE的需求量来看,封测环节>制造环节>设计环节。在封测环节,成品测试要求每一颗都要全参数测试,测试量大。晶圆制造环节,由于是半成品,所以以测试基本功能和主要参数为主,一般都是多工位测试,测试效率高,整体对测试机的需求量低于封测厂。设计公司买测试机目的是工程验证,以及问题验证和解决,对测试机的需求量相对较小。

因而,对ATE厂商来说,晶圆制造厂商(包括IDM和代工厂)以及封测厂是设备直接采购主力。值得注意的是,设计厂商、以及OEM也是重要的客户,包括直接采购,以及通过对代工厂、封测厂的间接采购。代工厂、封测厂往往会基于OEM、IDM以及设计厂的要求或建议来采购ATE。从泰瑞达的客户结构看,近几年,单一客户曾创造当年10%以上的收入的客户包括苹果公司、台积电等。

根据泰瑞达年报,2012-2013年公司来自苹果公司的收入占公司总收入达到10%、12%。2016-2017年公司来自台积电的收入占比达到12%~13%。而考虑直接采购、以及通过代工厂与封测厂间接采购,在2014-2016年某OEM客户收入占泰瑞达总收入的比重达到22%、23%、25%,这其中包含了通过台积电、JA Mitsui Leasing公司的销售。

近两年,来自华为的需求快速增长,根据泰瑞达2019年年报,2017-2019年公司来自华为的销售收入(包括直接采购,以及通过代工厂、封测厂采购)的占比分别达到1%、4%、11%。泰瑞达2019年收入22.95亿美元,由此计算2019年公司来自华为的销售收入达到2.52亿美元。

从国内公司的情况看,国内ATE厂商需求主要来自国内封测厂,主要是受益国内封测产业近年来的快速扩张。包括长电科技、华天科技、通富微电等3家国内封测领先企业,2013-2018年合计收入规模从93.2亿元扩张至382.0亿元,年均复合增速32.6%;相对应的,三家企业2013-2018年资本开支水平从17.7亿元增长至81.8亿元,年均复合增速35.9%。

这一时期,持续快速扩张的国内封测巨头是国内ATE厂商最重要的客户,占据收入份额的绝大部分。以长川科技为例,2014-2016年公司的前两大客户华天科技、长电科技占公司总收入的比重每年均超过60%,前五大客户收入占比均在80%左右。

而随着当下国内半导体产业全面国产化,产业链前端的制造、设计环节,对国内ATE需求将得到显著提升,丰富的产业链客户有助于国内ATE需求的稳健攀升。以华峰测控为例, 2018年公司收入2.19亿元,是2016年收入的1.95倍。其中客户结构显示以下变化:(1)客户集中度进一步下降,2018年公司前五大客户集中度仅38.6%,较2016年下降10.1个百分点。(2)发展了丰富的设计企业客户资源。

2017-2018年设计企业芯源系统连续两年进入公司前五大客户,2017-2018年公司来自芯源系统的收入分别为1458万元、1444万元。根据公司招股书,公司拥有百家集成电路设计企业客户资源,也与超过三百家以上的集成电路设计企业保持了业务合作关系。(3)制造环节的客户需求在增加。

设计厂商主要负责芯片的设计环节,他们会直接对测试设备产生需求,也会间接推动自己的代工厂购买同一家企业的测试设备从而产生需求。随着国内研发能力的不断增强,不少国内芯片设计企业开始占据领先地位,根据智研咨询数据,2018年中国有11家企业上榜全球前五十芯片设计企业,而在2009年,这个数据仅为1家,而随着5G、AI等新一轮科技逐渐走向产业化,国内芯片行业将会迎来良好发展,从而给国内测试设备市场带来需求。

我们统计了10家芯片设计上市公司的数据,包括汇顶科技、兆易创新、紫光国微等,10家公司2019Q3营业收入155.5亿元,同比增长49.7%;10家公司2019年归母净利润57.6亿元,同比增长81.6%。2016-2019年十家公司归母净利润的年均复合增速达到44.3%。

华为产业链加速国产化的机遇。处于供应链安全考量,华为产业链有望加速国产化,包括代工行业、封测行业都有望受益华为需求向国内转移的良好机遇。华为对ATE的需求路径包括:(1)华为自身的测试需求,包括各部门的实验室等。(2)对产业链服务需求的增长,包括对代工环节、封测环节的需求增长,由此推动ATE需求。其中华为可能影响对应代工厂、封测厂对ATE产品的选择。

根据泰瑞达2019年年报,2019年泰瑞达来自华为(包括直接及间接)的收入占公司总收入比重达到11%,达到2.52亿美元,来自华为的需求正快速增长,未来需求仍然有进一步提升的空间。根据泰瑞达2016年年报,在2014-2016年某OEM客户收入占泰瑞达总收入的比重达到22%、23%、25%(其中包含了通过台积电、JA Mitsui Leasing公司的销售),由此计算该OEM客户2014-2016年贡献泰瑞达收入达到3.62亿美元、3.77亿美元、4.38亿美元。

在封测环节,目前为止华为主要以外包测试为主,主要是国内及中国台湾封测厂。以华为海思为例,2018年收入501亿元,同比增长34%。按照采购成本60亿美元,其中封测成本占比25%计算,则华为海思每年的封测订单需求为15亿美元;同时海思仍保持较高的增长。因此,华为等半导体需求大客户的转单将给中国内地封测厂商带来明显增量,使得中国内地封测行业的景气度回升高于全球平均水平。

在制造环节,中芯国际第一代14nm FinFET已成功量产并于2019Q4贡献有意义的营收(客户以国内为主,产品涵盖中低端手机CPU、Modem及矿机等),产能计划从当前3-5K/月扩充至2020年底的15K/月;12nm FinFET已进入风险生产,同时第二代FinFET N+1技术平台研发与客户导入进展顺利。)。

国内半导体设备行业将充分受益逻辑厂与存储器厂双倍投资强度,具体的扩产逻辑有所区别:

1.晶圆代工厂。代工模式的核心在于“服务”,晶圆代工厂通常提供一个工艺技术平台,根据客户需求提供客制化产品与服务,发展壮大的关键在于覆盖更多的客户、满足客户更多的需求,因而晶圆代工厂的扩厂也是为了匹配客户需求、通常是顺应市场需求发展趋势的。当市场需求旺盛时,积极的资本开支以满足日益增长的下游需求,也是公司未来成长的动力。面向客户需求,晶圆代工厂的产能扩张情景主要有2类:(1)产能需求。即现有产能利用饱满,为匹配客户产能需求而扩大产能。(2)工艺需求。即为满足客户更多需求或者扩大客户覆盖面,进行工艺升级而新增产能。

2019年以来行业的积极变化是,产业景气度持续攀升,晶圆代工厂产能利用率不断提升,促使代工厂积极规划资本开支。以中芯国际为例,根据公司季度报告,中芯国际19Q4的产能利用率进一步提升至98.8%,公司计划2020年资本开支31亿美元,较2019年的20亿美元大幅提升。

2.存储器厂。与代工厂不同,存储器厂采用IDM模式,直接提供半导体产品。由于存储芯片技术标准化程度高,各家厂商的产品容量、封装形式都遵循标准的接口,性能也无太大差别,在同质化竞争情况下,存储厂商通过提升制造工艺,提供制造产能,利用规模优势降低成本,从而赢得市场。为了提高竞争力、抢占市场份额,存储器厂可能采取逆市扩张的策略。当前中国存储器产业面临重大机遇,促使国内存储器厂商积极进行工艺研发与产能建设,长期性与规模性的下游投资将对国产装备创造极佳的成长环境。其中长江存储与合肥长鑫都将在2020年进入积极的产能爬坡期,预期将促使设备需求大幅增长。


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