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半导体测试设备市场现状:国产化仍不足10%!
作者:AsiaGaming 发布时间:2020-06-09 11:04

  高端智能装备是国之重器,是制造业的基石,尤其是半导体领域内高端智能装备,在国民经济发展中更是具有举足轻重的作用,而在半导体制造过程中,半导体装备则是重中之重。实现设备本土化是我国发展集成电路产业的关键之一,关系到我国能否拥有产业自主权。

  此前国家曾对于半导体设备国产化提出了明确要求:在 2020 年之前,90~32nm 工艺设备国产化率达到 50%,实现 90nm 光刻机国产化,封测关键设备国产化率达到 50%。在 2025 年之前,20~14nm 工艺设备国产化率达到 30%,实现浸没式光刻机国产化。到 2030 年,实现 18英寸工艺设备、EUV 光刻机、封测设备的国产化。

  相对于半导体制造的其他环节来说,在半导体封测领域,目前国内厂商发展较快,由此也带动了封测设备国产化率的提升。那么目前在半导体自动化测试设备领域,国产厂商的发展情况如何呢?

  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:

  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。

  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。

  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。

  每一块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。

  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”。

  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。

  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。

  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,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(Automatic Test Equipment,半导体自动测试设备)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美国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。

  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。

  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(V)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:

  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;

  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%。

  (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。根据公司招股说明书,2016-2018年华润微进入公司前五大客户,收入分别为554万元、1253万元、880万元;2019年5月取得万国半导体1008万元的测试设备订单。

  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。

  根据华峰测控招股说明书,公司已经成为华为全球范围类测试设备的供应商,2019年8月与华为机器有限公司签订测试机正式合同,合同金额1947.15万元。

  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:

  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:

  (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。

  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。根据集邦咨询,19年Q4长江存储产能2万片/月(12英寸),20年底有望扩产至7万 片/月;合肥长鑫目前产能2万片/月,预计2020年第一季度末达到4万片/月。

  中芯国际:产能利用率维持高位,20年计划资本开支强劲。由于TWS、多摄像头、超薄指纹识别等持续渗透,中芯国际的CIS、Power IC、Fingerprint IC、Bluetooth IC以及Specialty Memory等产品下游需求保持旺盛,产业景气度持续攀升,公司产能利用率持续提升。

  根据公司业绩公布,2019Q4公司产能利用率达到98.8%,已经是2016年以来最高水平,较上一季度继续提升1.8个百分点,较上年同期提升8.9个百分点。2019Q4中芯国际实现营业收入8.39亿美元,同比增长6.6%,结束了连续3个季度的持续下滑;2019Q4公司毛利率23.8%,较上一季度提高3.0个百分点,较上年同期提高6.8个百分点,主要得益于产能利用率的持续提升。

  根据19Q4业绩报告,公司预计2020年将重启成长。目前看一季度营收比季节性来得好。2020Q1公司收入指引仍保持环比增长(2%~2%),得益于成熟制程产能利用率的持续满载;毛利率指引略有下滑(由23.8%下滑至21%~23%),下滑主要由于14nm产能开始爬坡。

  半导体国产化持续加速。2019Q4中芯国际与华虹半导体营业收入中,来自中国区收入占比分别达到65.1%、63.2%,分别较2019Q1提高11.2个百分点、10.4个百分点,显示半导体国产化进程加速。

  顺应市场需求,新一轮资本支出计划将启动,产能扩张逐步显现。根据公司季度报告,2019Q4中芯国际资本开支4.92亿美元,2019年全年资本开支20.29亿美元,略高于2018年资本开支18.13亿美元,接近公司在2018Q4给出的19年资本开支指引21亿美元。为了顺应下游客户需求,公司在季报中提出,将启动新一轮资本支出计划,公司计划2020年用于晶圆厂运作的资本开支约为31亿美元,其中20亿美元用于扩充拥有多数股权的上海300mm晶圆厂产能,上年为12亿美元;5亿美元用于扩充多数股权的北京300mm晶圆厂产能,上年该项资本支出计划为2亿美元。

  除了中芯国际,华虹半导体的无锡12英寸厂房在未来两年也将处于产能快速爬坡阶段,将由当前的1万片/月扩充至2021年底的3万片/月。根据集微网,2019年9月华虹无锡厂12寸线纳米芯片产品制造,该项目总投资100亿美元,月产能4万片。该项目于18年3月开工,目前已完成1万片产能所需的设备安装和调试,通线投产后将迅速爬坡,形成量产能力。

  2019年公司用于华虹无锡12寸厂的资本开支合计7.91亿美元;用于华虹宏力8寸厂的资本开支合计1.31亿美元。由于产业景气度回暖及成熟制程需求良好,华虹半导体产能利用率从2019Q1的87.3%提升至2019Q3的96.5%。2019Q4公司的产能利用率下滑至88.0%,主要是受无锡12寸厂在19Q4投产影响,其中8寸厂产能利用率92.5%、12寸厂产能利用率31.6%。

  下游需求旺盛叠加国产化趋势,国内晶圆代工市场景气上行,产能利用率攀升,推动代工厂积极扩产。当前国内晶圆代工厂呈现先进与成熟工艺扩产并行的状态,为国产状态发展提供了充分的空间。当前国内晶圆代工厂的扩产力量按照工艺水平可以划分三类:

  1.面向先进制程的12寸晶圆厂。以中芯国际、华虹集团为代表的国内头部晶圆代工厂,目标市场面向先进制程。包括中芯国际北京12寸厂(28nm)、中芯南方上海12寸厂(14nm)、华力集成二期(28-14nm)、弘芯武汉12寸厂(14nm)。

  2.面向成熟制程的12寸晶圆厂。由于大尺寸硅晶圆的发展趋势,国内存在着一批面向成熟制程的12寸晶圆厂正在扩产中。包括华虹无锡12寸厂(90-65nm)、晶合集成合肥12寸厂(180-55nm)、万国半导体重庆12寸厂(90nm)、士兰微厦门12寸厂(90nm)、粤芯广州12寸厂(180-130nm)。

  3.其余8寸厂/6寸厂等。包括中芯国际绍兴、宁波、天津8寸厂、士兰微8寸厂、积塔半导体上海8寸厂、燕东微电子北京8寸厂等等。19年底以来半导体市况明显回温,8英寸晶圆代工产能已吃紧。包括台积电、联电、世界先进的8英寸代工产能满载。伴随着旺盛的市场需求,国内8英寸也迎来扩产浪潮。

  对国产装备而言,下游形成梯队的晶圆厂建设为其提供了充分的发展舞台。既有面向国际先进水平的先进制程市场,又有当前主流的12寸成熟制程市场,此外众多的8寸厂等为国产装备提供了良好的过渡市场。整体上看,国内各梯队晶圆代工厂的设备国产化率的情况是,先进制程12寸成熟制程8寸厂,分别以华力集成、华虹无锡12寸厂、积塔半导体8寸厂为例。根据中国招标网,截止2020年2月,主要的半导体设备的国产化率分别为,华力集成(28nm)7.0%、华虹无锡(90-65nm)23.7%、积塔半导体(8寸)34.4%。

  具备长期性与规模性,2020年迎增速向上拐点。中国大陆在过去五年掀起了存储芯片制造厂建设热潮。目前我国三大存储阵营,主要包括专注于3D NAND闪存的长江存储(紫光集团与武汉合作),专注于移动式内存(DRAM)的合肥长鑫(兆易创新与合肥合作)以及利基型内存(NOR Flash,SRAM等)的福建晋华(联电与福建合作)。三个项目在2016-2017年开工,其中福建晋华目前仍处于停滞状态,而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。

  公开消息显示,长江存储总投资240亿美元,2018Q4成功实现32层NAND量产,2019年9月2日宣布已开始量产基于Xtacking架构的64层256 Gb TLC 3D NAND闪存。产能规划方面,根据集邦咨询数据,19年Q4长江存储产能在2万片/月 (12英寸),到2020年底有望扩产至7万片/月,2023年扩产至30万片/月产能。投资水平方面,根据湖北省发改委发布信息,长江存储一期投资569.5亿元(对应10万片/月产能),其中2018、2019年计划投资分别为200亿元、50亿元。

  公开消息显示,合肥长鑫总投资1500亿元,总规划三期,全部完成后产能36万片/月(12英寸),其中一期设计产能12万片/月,目前产能已达到2万片/月,预计2020年达到4万片/月,后续扩产节奏将视研发进程、产品良率和市场需求来决定。投资水平方面,根据安徽省政府发布信息,合肥长鑫一期投资534亿元,截止2018年底合计投资191.3亿元,2019年计划投资50亿元。此外,紫光集团曾宣布在南京、成都、重庆陆续展开集成电路基地建设,三地项目紫光投资总规模在千亿级别,有望中期对半导体设备需求形成有力支撑。但需要注意,目前均处于工程建设阶段,建设进程以及最终投资规模存在不确定性。

  按照目前可知的项目计划与建设进程,我们测算了目前国内主要存储器厂未来几年的投资规模。根据测算,2019-2022年国内存储器厂投资规模分别为321.7亿元/495.0亿元/806.0亿元/1116.3亿元,分别同比变动-9%/+54%/+63%/38%;其中本土2019-2022年本土存储器厂投资规模分别为88.3亿元/291.9亿元/519.7亿元/860.4亿元,分别同比变动-54%/+231%/+78%/+66%。

  封测行业营收呈现一定程度周期性,2019H2以来随半导体景气度提升而复苏。封测行业作为半导体加工的最后一个重要环节,其封测出片量与半导体晶圆的出货量变化趋势保持一致,因此受半导体整体周期性的影响,封测行业也存在着较为明显的周期特性。2018年后期受半导体整体周期下行影响,封测行业增速放缓。2019年二季度起,随着半导体景气度回升,封测行业也明显回暖。同时,国内半导体需求大客户的转单将加速国产替代,使得中国内地半导体封测行业的景气度回升高于全球平均水平。

  包括长电科技、华天科技、通富微电3家国内封测企业2019Q3单季度营业收入117.8亿元,同比增长11.6%,扭转了3个季度连续下滑。2019Q4-2020Q1,3家公司合计单季度营业收入保持同比20%以上增长。3家公司2019Q4归母净利润4.4亿元,较上年同期增长147.0%,单季度合计的归母净利润创下新高。3家公司2020Q1归母净利润1.8亿元,上年同期为-0.8亿元。

  受益行业景气回升、企业盈利改善,封测厂资本开支正在回升。以国内封测龙头长电科技为例,公司2019年实现净利润0.89亿元,实现扭亏为盈,上年同期为-9.4亿 元;2020Q1长电科技净利润1.34亿元。根据公司发布的董事会投资决议,在原有2020年30亿资本开支计划基础上,追加固定资产投资8.3亿元人民币用于重点客户产能扩充,以满足重点客户市场需求。对应2020年资本开支计划合计38.3亿元,其中重点客户产能扩充23.1亿元,其他零星扩产6.8亿元人民币,日常维护5.9亿元人民币,降本改造、自动化、研发以及基础设施建设等共3.0亿元人民币。根据2018年年报,公司2019年度固定资产资本支出约为29.30亿元。

  集成电路从功能、结构角度主要分为数字集成电路、模拟集成电路与数/模混合集成电路三类,其中:数字集成电路主要与数字信号的产生、放大和处理有关,数字信号即在时间和幅度上离散变化的信号;模拟集成电路主要与模拟信号的产生、放大和处理有关,模拟信号及幅度对时间连续变化的信号,包括一切的感知,譬如图像、声音、触感、温度、湿度等;数/模混合集成电路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。根据WSTS,2018年全球半导体销售额中,集成电路销售额3933亿美元,占83.9%。包括存储器1580亿美元,占比33.7%;逻辑电路1093元,占比23.3%;微处理器672亿美元,占比14.3%;模拟电路588亿美元,占比12.5%。

  由于不同类型芯片的测试需求的侧重点不同,半导体测试系统包括多个细分领域。半导体测试机主要细分领域为存储器、SoC、模拟、数字、分立器件和RF测试机。全球ATE市场以存储器和SoC测试占据绝大部分。而国内在模拟测试、分立器件测试等领域仍然有良好的市场空间。

  根据泰瑞达年报,2018年全球ATE市场约40亿美元。结构方面,2017年全球ATE市场为33.5亿美元,其中SoC测试设备24亿美元,占ATE总市场的71.6%;存储器测试系统6.5亿美元,占19%;而余下的3亿美元,则分散在模拟测试、数字逻辑测试、RF测试等众多领域。

  根据赛迪顾问,2018年国内ATE市场36.0亿元,同比增长41.7%。其中存储器测试机和SoC测试机分别占比43.8%、23.5%。此外,数字测试机、模拟测试机、分立器件测试机占比分别达到12.7%、12.0%以及6.8%,RF测试机为0.9%。国内ATE需求结构与全球整体有较大差异,主要是由下游市场需求所决定。由于国内目前高端芯片的国产化仍然处于较低水平, 所以SoC测试系统需求占比较全球整体水平有较大差距,未来伴随汽车电动化、5G和人工智能等的迅速发展和未来中国在SoC芯片和封测领域的国产化,国内SoC测试需求有望持续攀升。

  存储芯片与逻辑芯片的测试区别。存储器芯片必须经过许多必要的测试以保证其功能正确,这些测试主要用来确保芯片不包括以下错误:存储单元短路、存储单元开路、存储单元干扰等。由于存储单元类型多样化,存储器内部还有大量的模拟部件,其中一些部件不能直接进行存取操作,而且存储器的每一个单元可能处于不同的状态,按逻辑测试方法测试需要庞大的测试图形,这些特性决定了存储器测试要求与模拟电路和数字电路不同。存储器芯片测试时使用测试向量进行错误检测,测试向量是施加给存储芯片的一些列功能,即不同的读和写的功能组合。

  存储测试系统需求由存储芯片扩产驱动。存储器是一个周期性极强的产业,强于半导体产业整体周期性。下游需求的周期波动、市场份额集中的格局、产品的标准化属性导致存储器行业历史上容易出现大幅的波动。由于存储器行业的强周期性,行业的资本开支也呈现较强的波动,从而导致存储测试系统需求的周期波动。

  在2007年之前,存储器测试还占据全部半导体自动测试设备市场的30%~40%;在2008年金融危机后,虽然到2010年存储器产品销售额已有良好的恢复,占半导体总市场的比重恢复至2006-2007年水平,但存储器测试设备的市场已经进一步被侵蚀,2009年存储器测试设备比重降至11%左右,此后存储器测试设备基本在17%~22%之间。

  由于2017-2018年存储器行业需求高景气,国际存储器巨头纷纷扩产,推动了存储测试系统的快速增长。根据爱德万年报,2017-2018年全球存储ATE销售额分别为7.5亿美元、11.5亿美元。2019年由于下游存储器行业景气下滑,对存储测试系统的需求也受到较大影响。根据爱德万年报,2019年全球存储ATE市场6.5亿美元。

  国内存储器厂建设,将直接推动存储器测试设备快速增长。根据爱德万公司预测,随着存储器市场复苏,存储器测试设备行业正在复苏。公司预测2020年全球存储ATE需求将达到8亿美元,较上年增长23%,其中三星、美光等国际存储巨头的扩产有限,中国地区存储器厂建设将贡献最主要的增量。爱德万公司存储器测试设备的订单反映了这一点。19Q4爱德万新签存储器测试订单15.9十日日元,同比增长40.6%,结束了自18Q3以来连续5个季度的持续下滑。分区域看,2019年爱德万全部业务新签订单72.9亿日元,同比下滑10.9%其中韩国区域、中国台湾、中国大陆区 域 订 单 占 总 订 单 合 计74.9%,2019年 三 个 区 域 订 单 分 别 同 比 变 动-10.7%/-32.5%/+26.2%,中国地区贡献了最重要的增量。

  我们进一步测算了国内存储器厂扩产将带来的测试设备市场需求。我们统计了目前国内主要的在建晶圆厂,按照产能规划将投资额在各年进行分配。我们测算2020-2022年国内存储器厂投资495亿元/806亿元/1116亿元,分别同比增长54%/63%/38%。对应测试设备需求分别为39.6亿元/64.5亿元/89.3亿元,其中ATE需求分别为26.0亿元/42.3亿元/58.6亿元。

  SOC测试占据大部分市场,趋势持续向上。进入新世纪以来,互联网大范围推广。同时,苹果推出智能手机、谷歌推出安卓系统,移动通讯进入爆发期,迅速取代PC成为新的驱动力。不同于台式电脑,人们对智能手机等消费类电子产品提出了轻薄短小、多功能和低功耗等新要求。在20世纪90年代中期诞生的SoC技术满足了人们这一需求,反过来对于消费类电子产品日益增长的需求也促使着SoC芯片产业的发展。而SoC芯片的快速发展也带来了对SoC测试设备的大量需求,SoC测试设备逐渐成为自动测试设备市场新的增长驱动力。根据爱德万年报,2017-2019年全球SoC测试系统市场规模分别为22亿美元、25.5亿美元、27亿美元,保持稳步增长。

  SoC芯片可使系统级产品具有高可靠、实时性、高集成、低功耗等优点,广泛应用于工业控制、航空航天、移动通信、消费类电子、汽车电子、医疗电子设备等领域。与传统芯片不同,SoC芯片集成了微处理器、模拟IP核、数字IP核以及片外存储器控制接口等功能,其核心技术在于IP核的复用,这些模块可以是模拟、数字或数模混合类型,不同模块的频率、电压、测试原理也不同。

  同时,高集成度造成测试的数据量和时间成倍增长,测试功耗也是传统测试项目的2~4倍。因此SoC的复杂性使得传统测试机难以满足需求,专业的SoC测试机具有强大的并测能力,通过合理规划调度各个IP核完成并发测试,有效地降低了测试时间和测试成本。由于产品难以复制,客户愿意支付更高的溢价购买设备。

  根据WSTS,2018年全球模拟芯片销售额588亿元,占全球集成电路销售额的14.9%。模拟芯片的两个主要用途包括电源管理与信号链路。模拟IC产品在各大电子系统基本上都会使用到,涉及下游应用有通信、汽车、工控医疗、消费类家电产品等。在数字电路系统中也会提供电源管理、稳压等功能。其中电源管理芯片是模拟芯片的主要部分。

  根据IDC数据,2017年电源管理芯片占模拟芯片的53%左右(包括标准power IC和模拟ASSP用途的power IC),电源管理用途在家电、工业用途相对较为成熟,技术更新迭代较慢,技术壁垒相对较低,国内布局厂商较多,包括圣邦股份、矽力杰、韦尔股份、富满电子、中颖电子等。

  信号链路芯片可细分为非power IC的模拟ASSP、放大器、比较器、数据转换芯片等,根据IDC数据,2017年信号链路芯片占模拟芯片的47%,国内布局厂商较少,以华为海思、圣邦股份为主。

  模拟测试系统是国内ATE的重要组成部分,下游模拟芯片的需求稳定带来了模拟测试系统的稳定需求。根据赛迪顾问,2018年国内模拟测试机市场规模4.3亿元,占国内ATE的12.0%。

  一方面,模拟芯片下游应用非常广泛,而单一下游市场规模相对较小,竞争者通常专注差异市场,厂商之间的产品重叠度较低、竞争较小。

  另一方面,模拟芯片产品生命周期较长,模拟类产品下游汽车、工业用途要求以可靠性、安全行为主,偏好性能成熟稳定类产品的同时资格认可相对较为严格,同时先进制程对于模拟类产品推动作用较小,基本不受摩尔定律推动,因此模拟类产品性能更新迭代较慢。因此模拟类产品生命周期较长,一般不低于10年。

  目前国内ATE厂商的测试机产品主要集中在模拟测试以及数模混合测试系统。在国内模拟测试系统领域,包括华峰测控、长川科技等国内ATE领先企业已经占据了相当的市场份额。根据华峰测控的招股说明书,公司2018年境内模拟测试相关收入1.73亿元,占中国模拟测试机市场的份额为40.14%。

  自动测试设备(ATE,Automatic Test Equipment)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。ATE行业从1960s诞生以来,其发展大致可归纳为以下几个阶段:

  1960s~1970s,行业成立初期,在仙童半导体的主导下得以发展。ATE行业最早产生于1960s,龙头企业美国泰瑞达便是成立于1960年,但行业最开始的发展并不是由这些独立的设备商引导,而是由半导体企业主导的。ATE最开始就是由仙童半导体、德州仪器等企业生产用于内部使用,在70年代末之前,仙童半导体掌握着全球范围70%的ATE市场。

  1980s,ATE市场开始成为广泛的市场,独立的设备商崭露头角。随着CMOS技术开始起步,高管脚数门阵列器件的时代到来,测试要求提升,但仙童半导体在开发新的ATE系统上却遭遇失败,随后将其ATE部门卖给斯伦贝谢。而在这一段时间,日本爱德万在日本大力发展本国半导体产业的背景下得到迅速发展,泰瑞达从模拟测试供应商成长为数字测试和存储测试供应商,另外还包括GanRad、LTX、Agilent(安捷伦)等众多ATE公司出现,ATE发展成为广泛的市场。

  1990s,主要的ATE设备商开始形成规模,并开始出现合并行为。根据WSTS数据,1991年全球半导体销售额仅546亿美元,到2000年增长至2044亿美元,增长274.%。随着下游半导体行业的迅速发展,设备商也得以规模成长,同时行业开始出现并购活动,行业主要参与者开始显现,到90年代末期,行业内主要的10多家企业形成了行业竞争格局。

  2000s,行业出现大规模整合,主要竞争者减少至5家左右。2008年泰瑞达250百万美元收购Eagle拓展闪存测试、379百万美元收购Nextest加强模拟测试业务;2004年科利登以660百万美元收购NPTest(2002年从Schlumberger的ATE部门分离出来),进入高端SOC测试领域,2008年LTX收购科利登,改名为LTX-Credence;2011年爱德万以1100百万美元收购惠睿捷,使得其在SOC测试市场份额得以迅速发展。全球ATE行业持续聚焦,到2009年泰瑞达、爱德万、惠睿捷、科利登四家企业占据全球ATE设备行业87%的市场份额。

  2010s~,由于下游半导体行业进入成熟的周期性发展阶段,设备行业也呈现平稳发展;同时,行业集中度已经非常高,行业内并购的机会稀缺,近年来,全球ATE主要企业更加专注于市场份额巩固,以及可能地寻求其他领域的发展以拓宽可触及的市场空间。

  (二)行业双寡头格局,国际龙头产品线年爱德万收购惠睿捷为标志,以泰瑞达、爱德万为中心的双寡头格局日渐清晰。根据SEMI数据,2017年泰瑞达、爱德万两家企业在全球半导体测试机行业的市场份额达到87%。其中泰瑞达在SOC测试领域具有较高的优势;而爱德万在存储器测试领域处于领军地位,在SOC测试市场相对于泰瑞达、惠瑞捷属于后进入者,但其SOC测试设备市场份额逐渐稳步上升。

  在存储器测试领域,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,而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,此后公司长期在存储器测试机领域占据50%以上绝对优势,特别在存储器发展良好的2003-2007年间公司份额达到60%~70%。

  而在具备更大市场空间的SOC测试系统领域,此前这一领域的主要领导者包括泰瑞达、惠睿捷、爱德万,其中泰瑞达早在1995年收购Megatest,通过Catalyst和Tiger测试系统成为高端片上系统(SoC)测试的市场领导者。而爱德万虽然在存储器领域有着绝对优势,但在SOC测试领域则长期处于追赶的态势。

  根据美国的半导体行业调查公司VLSI Research发布的按销售额排名的2019年全球前十大半导体设备厂商,测试设备商占据两个席位,分别是日本的爱德万公司(第6)、以及美国的泰瑞达公司(第8)。2019年爱德万、泰瑞达销售额(包括服务收入)分别为24.7亿美元、15.5亿美元。

  从产品类型上看,泰瑞达、爱德万形成了SOC测试、存储器测试、模拟信号测试、数模混合信号测试等全面的产品系列,同时对5G、AI、物联网等新兴趋势进行了积极开发布局,代表着行业最前沿的水平。

  目前国内半导体测试设备与国际水平仍有很大差距。国内半导体测试设备领先企业包括华峰测控、长川科技、武汉精鸿等,其中在模拟测试机领域,国内包括华峰测控、长川科技已经占据国内相当一部分市场份额,在存储测试机领域,根据中国招标网,武汉精鸿已经取得长江存储订单,在SoC测试机领域,包括华峰测控等已经在积极布局。

  根据赛迪顾问数据,2018年中国集成电路测试机市场规模为36.0亿元,其中:泰瑞达和爱德万产品线年中国销售收入分别约为16.8亿元和12.7亿元,分别占中国集成电路测试机市场份额的46.7%、35.3%。排名第三的是美国科休半导体(Cohu)在国内的市场份额也超过了8%。这也意味着仅这三家厂商就占据了中国集成电路测试机市场90%的市场份额。

  国内目前主要的测试设备商包括华峰测控、长川科技、武汉精鸿等。其中在模拟测试机领域,国内包括华峰测控、长川科技已经占据国内相当一部分市场份额,在存储测试机领域,根据中国招标网,武汉精鸿已经取得长江存储订单,在SoC测试机领域,包括华峰测控等已经在积极布局。

  公司产品已经在半导体产业链得到广泛应用,拥有广泛其具有较高粘性的客户基础。根据公司招股书,公司目前是国内前三大半导体封测厂商模拟测试领域的主力测试平台供应商,相关产品已经在华润微电子等大中型晶圆制造企业和矽力杰、圣邦微电子、芯源系统等知名集成电路设计企业中批量使用,截止招股说明书签署日,公司累计装机量已超过2300台。根据华峰测控招股书,2018年华峰测控的模拟测试相关产品在中国模拟测试机市场的市场占有率为40.14%,测试机产品占中国集成电路测试机市场份额的6.1%。2017-2019年公司营业收入分别为1.49亿元/2.19亿元/2.55亿元,年均复合增速30.8%,显著高于行业整体水平;2017-2019年归母净利润分别为0.41亿元/0.53亿 元/1.02亿元。2018年公司毛利率82.15%、净利率41.49%。

  根据公司招股书,在产品扩产上,公司计划进入SoC类集成电路测试系统和大功率期间测试系统领域。根据其招股书,公司募投项目之一的集成电路先进测试设备产业化基地项目,达产后预计将实现800套模拟测试系统和200套SoC类集成电路自动化测试系统的产能。

  长川科技:主要产品包括测试机和分选机,在核心性能指标上已达到国际先进水平。其中测试机包括大功率测试机、模拟/数模混合测试机和数字测试机;分选机包括重力下滑式分选机、平移式分选机等,2019年完成对新加坡商STI公司的收购从而增加了AOI测试设备线,STI主要为芯片及Wafer提供光学检测、分选、编带等集成电路检测装备,其2D/3D高精度光学检测技术(AOI)位居世界前列。2019年公司营业收入4.03亿元,同比增长86.49%;归母净利润1278万元,同比下降64.95%。收入大幅增长主要由于STI并表,以及公司不断加大新产品研发和新市场拓展力度、加大与行业内知名客户的合作力度;净利润下滑主要是受下游景气下滑以及公司研发投入加大、收购资产的商誉减值、固定资产折旧及重大资产重组股份支付等费用大幅增加。

  武汉精鸿:武汉精鸿主要产品是存储芯片测试设备,根据中国招标网,其于2019年年底获得长江存储5台存储器测试机订单。

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