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全球半导体投资规模持续攀升探针台市场逐年增

发布日期:2021-03-24 17:52

  )行业重要的检测装备之一,其广泛应用于复杂、高速器件的精密电气测量,旨在确保质量及可靠性,并缩减研发时间和器件制造工艺的成本。

  探针台用于晶圆加工之后、封装工艺之前的CP测试环节,负责晶圆的输送与定位,使晶圆上的晶粒依次与探针接触并逐个测试。在半导体器件与集成电路制造工艺中,从单晶硅棒的制取到最终器件制造的完成需经过复杂的工序,可分为前道工序与后道工序,探针台是检测半导体芯片的电参数、光参数的关键设备。经过检测,探针台将参数特性不符合要求的芯片记录下来,在进入后序工序前予以剔除,大大降低器件的制造成本。

  半导体的测试环节,主要包括芯片设计中的设计验证、晶圆制造中的晶圆测试(CP测试)和封装完成后的成品测试(FT测试)。半导体测试设备主要包括测试机、探针台和分选机。在所有的测试环节中都会用到测试机,不同环节中测试机需要和分选机或探针台配合使用。

  探针台是检测芯片的重要设备,在芯片的设计验证阶段,主要工作是检测芯片设计的功能是否能够达到芯片的技术指标,在检测过程中会对芯片样品逐一检查,只有通过设计验证的产品型号才会量产。晶圆测试一般在晶圆厂、封测厂或专门的测试代工厂进行,主要用到的设备为测试机和探针台。

  半导体行业向来有“一代设备,一代工艺,一代产品”的说法。半导体设备价值普遍较高,一条先进半导体生产线投资中,设备价值约占总投资规模的75%以上。随着全球半导体行业市场规模不断扩大,半导体设备市场也呈增长趋势。根据SEMI统计,全球半导体设备销售额从2013年的318亿美元增长至2018年的645亿美元,年复合增长率约为15.2%,但受到半导体行业景气度下滑及宏观经济环境影响,2019年、2020年一季度增长有所下降,但预计疫情过后,将恢复增长。

  中国半导体市场飞速增长。在全球贸易摩擦背景下,半导体行业国产化率提高成为必然趋势,国内半导体产业的投资规模持续扩大。根据SEMI统计数据,2018年半导体设备在中国大陆的销售额约为131亿美元,同比增长59.3%,约占全球半导体设备市场的20.3%,已成为仅次于韩国的全球第二大半导体设备需求市场。结合SEMI和IDC等行业机构的数据和预测,2018、2019年国内半导体制造设备投资额约为131、117亿美元,而2020年受疫情影响将继续下滑。预计疫情结束后,半导体设备的投资将反弹,2021、2022年将恢复至143、179亿美元。

  半导体测试对于良率和品质控制至关重要,是必不可少的环节,主要涉及两种测试(CP测试、FT测试等)、三种设备(探针台、测试机、分选机等)。根据半导体产线投资配置规律,测试设备在半导体设备投资的占比约为8%,仅次于晶圆制造装备,其中测试机、分选机、探针台的占比分别为63.10%、17.40%、15.20%。

  近年来,全球贸易摩擦持续加剧,而半导体作为信息产业的基石和兵家必争之地成为本轮贸易战的焦点。2019年,中美贸易战、日韩半导体材料争端对全球半导体产业竞争格局也带来了较大的影响。在自主可控发展策略指导下、在资本与相关配套政策扶植下,中国大陆正在也必将成为全球半导体产业扩张宝地,未来几年半导体产能扩充仍将有较大需求。2019年国内半导体设备投资约为923.51亿元,国内半导体检测设备市场规模约为67.43亿元。在疫情结束后国内半导体投资将反弹及恢复增长,检测设备市场规模也将随之增长,预计2022年将达到103.22亿元。

  按照探针台占整个半导体检测设备投资的15.2%测算,2018年、2019年、2020年全球的探针台市场规模约为56.6亿元、46.2亿元、42.96亿元,疫情结束后2021年、2022年有望将达到51.56亿元、59.29亿元的需求。国内探针台市场规模2019年约为10.25亿元,2022年将增长到15.69亿元。

  半导体设备的技术壁垒高。随着半导体行业的迅速发展,半导体产品的加工面积成倍缩小,复杂程度与日俱增,生产半导体产品所需的制造设备需要综合运用光学、物理、化学等科学技术,具有技术壁垒高、制造难度大及研发投入高等特点。

  国际企业占主导,国内企业在突破。从全球市场看,半导体探针台设备行业集中度较高,目前主要由国外厂商主导,行业呈现较高垄断的竞争格局。东京精密(Accretech)、东京电子(TokyoElectron)两家公司占据全球约七成的市场份额。其次为台湾企业,如台湾惠特、台湾旺矽等也占有较大的市场份额,特别是在LED探针台领域具有优势。

  从国内市场看,东京精密(Accretech)市场占比最高;第二梯队为东京电子(TokyoElectron);而台湾惠特和深圳矽电相差不大,占比在13%-15%。而中国本土企业中,深圳矽电是国内规模最大的探针台生产企业,进展较快,近三年营业收入保持年均20%以上的增速,并且在大陆市场的基础上,开始拓展中国台湾地区市场。

  此外,国内长川科技、中国电子科技集团45所、西700厂等厂商值得关注。长川科技的主要产品为测试机和分选机,探针台处于研发阶段,尚未形成收入。中国电子科技集团45所的探针台在改革开放前曾一度是国内市场的主流机型,市场占有率高达67%,近年来依托原有技术积淀发展较快,探针台产品包括手动探针测试台和自动探针测试台;西700厂主要侧重于研制4探针模式的手动探计台。

  长期来看,国内的半导体整体产业及半导体制造业增长稳定,带动封测需求。随着联网设备的大规模成长,以及对数据处理、运算能力和数据存储的需求激升,驱动了物联网、人工智能与高效能运算等技术的逐渐成熟,人工智能及物联网等终端产品的应用,包括5G通讯、工业用智能制造、车用电子与智慧家居等需求即将爆发。终端应用持续攀升将导致对半导体的需求日渐增长,刺激半导体封测技术、需求明显提升,催生IC封装从低阶封装技术,朝向高阶和先进封装技术等领域发展。对于仰仗半导体封测业的探针台产业而言,终端应用衍生的高阶封装需求激增,封测需求持续成长,加上半导体产业导入新材料所衍生的各种机会,都有望刺激探针卡市场需求持续增长。

  短期来看,2020年半导体产业发展面临的不确定性较多且复杂交织,一是贸易战持续,给半导体的发展及竞争格局带来不确定性;二是新冠状病毒的疫情成为“黑天鹅”事件,席卷全球,对各行业均产生难以估量的影响。

  晶圆尺寸持续增大,从6”到8”再到目前的12“,而对应的探针台也从手动向半自动和全自动发展。在此过程中,涉及到晶圆尺寸、精度、分辨率以及测试原理等变化,未来的探针台将沿着以下几个方向改进。

  (1)测试品种多。早期的探针台主要针对一些分立器件进行测试,测试精度要求不是很高,但是随着信息化的发展、晶圆片尺寸增加、封装尺寸的减小以及纳米工艺技术的成熟,对测试效率和稳定性提出很高的要求。其产品测试已经扩展到SOC、霍尔元件等领域,因此,大直径晶圆片测试、全自动晶圆测试以及高性能晶圆片测试是未来的发展方向。

  (2)微变形接触技术。MircoTouch微接触技术,它减少了测试易碎器件或者pad处于活动电测区域下的接触破坏,实现了对于垂直升降系统的精准的控制,大大降低了探针接触晶圆的冲击力,同时也提高了测试过程中探针的精准度,保证了良品率。因此,未来的探针台将会在微变形接触等技术上投入更大的成本。

  (3)非接触测量技术。随着电磁波理论和RFID射频识别)技术的成熟,接触式测试将会因为更高的良率、更短的测试时间以及更低的产品成本等潜在优势越来越受到青睐。这种测试方法中,每个裸片内含集成天线,TESTER通过电磁波与其通信,可以消除在标准测试过程中偶然发生的测试盘被损时间,减低缺陷率。

  中国国产替代成为重要趋势,龙头公司将有10倍以上市场增长空间。半导体设备的国产化既符合产业安全自主可控需求,也符合产业发展基本规律。只有在设备上拥有核心技术升级与迭代能力,才能真正实现半导体制造上实现超越,国产化率是当务之急,也势不可挡。中国设备产业未来10年,第一步将迎接中国半导体产业对设备投资需求成倍的增长,同时目标将国产化率从平均5%~10%,提升到70%~80%以上甚至更高;第二步中国设备厂商与国际厂商同台竞技之后,实现打开国门走向世界,从追赶到超越的升华。

  在贸易战背景下,“中兴事件”、“华为事件”等系列事件,警醒了业内对硬科技缺失的重视,从国家层面到企业均开始推进半导体核心技术国产自主化,实现供应链安全可控,这加速了半导体材料和设备的国产化替代进程。目前,我国的半导体行业的国产化率仍然比较低,设备领域尤其明显,探针台市场领域,国产设备的在国内市场的份额不超过20%,亟需发展和提高。

  随着以深圳矽电、长川科技、中电科45所为代表的国内产设备企业飞速发展,预计未来国产探针台在国内市场的占比将越来越高。国内半导体产业的逐步崛起,将给上游设备龙头公司带来较大的成长空间。

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