一、半導體探針臺概述
探針臺是半導體（包括集成電路、分立器件、光電器件、傳感器）行業重要的檢測裝備之一，其廣泛應用于復雜、高速器件的精密電氣測量，旨在確保質量及可靠性，并縮減研發時間和器件制造工藝的成本。
探針臺用于晶圓加工之后、封裝工藝之前的 CP 測試環節，負責晶圓的輸送與定位，使晶圓上的晶粒依次與探針接觸并逐個測試。在半導體器件與集成電路制造工藝中，從單晶硅棒的制取到最終器件制造的完成需經過復雜的工序，可分為前道工序與后道工序，探針臺是檢測半導體芯片的電參數、光參數的關鍵設備。經過檢測，探針臺將參數特性不符合要求的芯片記錄下來，在進入后序工序前予以剔除，大大降低器件的制造成本。
半導體的測試環節，主要包括芯片設計中的設計驗證、晶圓制造中的晶圓測試（CP測試）和封裝完成后的成品測試（FT測試）。半導體測試設備主要包括測試機、探針臺和分選機。在所有的測試環節中都會用到測試機，不同環節中測試機需要和分選機或探針臺配合使用。
圖1 晶圓測試CP測試環節，灰色為探針臺
探針臺是檢測芯片的重要設備，在芯片的設計驗證階段，主要工作是檢測芯片設計的功能是否能夠達到芯片的技術指標，在檢測過程中會對芯片樣品逐一檢查，只有通過設計驗證的產品型號才會量產。晶圓測試一般在晶圓廠、封測廠或專門的測試代工廠進行，主要用到的設備為測試機和探針臺。
圖2 芯片測試及探針臺設備應用流程圖
二、半導體探針臺市場
1.全球半導體投資規模持續攀升
半導體行業向來有“一代設備，一代工藝，一代產品”的說法。半導體設備價值普遍較高，一條先進半導體生產線投資中，設備價值約占總投資規模的 75%以上。隨著全球半導體行業市場規模不斷擴大，半導體設備市場也呈增長趨勢。根據 SEMI 統計，全球半導體設備銷售額從 2013 年的318億美元增長至 2018年的645 億美元，年復合增長率約為 15.2%，但受到半導體行業景氣度下滑及宏觀經濟環境影響，2019年、2020年一季度增長有所下降，但預計疫情過后，將恢復增長。
中國半導體市場飛速增長。在全球貿易摩擦背景下，半導體行業國產化率提高成為必然趨勢，國內半導體產業的投資規模持續擴大。根據 SEMI 統計數據，2018 年半導體設備在中國大陸的銷售額約為 131億美元，同比增長 59.3%，約占全球半導體設備市場的 20.3%，已成為僅次于韓國的全球第二大半導體設備需求市場。結合SEMI和IDC等行業機構的數據和預測，2018、2019年國內半導體制造設備投資額約為131、117億美元，而2020年受疫情影響將繼續下滑。預計疫情結束后，半導體設備的投資將反彈，2021、2022年將恢復至143、179億美元。
圖3 全球及中國大陸的半導體設備銷售規模
數據來源： SEMI，CASA Research整理
2.探針臺市場逐年增長
半導體測試對于良率和品質控制至關重要，是必不可少的環節，主要涉及兩種測試（CP 測試、FT 測試等）、三種設備（探針臺、測試機、分選機等）。根據半導體產線投資配置規律，測試設備在半導體設備投資的占比約為8%，僅次于晶圓制造裝備，其中測試機、分選機、探針臺的占比分別為63.10%、17.40%、15.20%。
圖4 測試設備在半導體設備投資中占比約為8%
數據來源：中國半導體行業協會，CASA Research整理
圖5 探針臺在半導體測試設備中占15.2%
數據來源： 中國半導體行業協會，CASA Research整理
近年來，全球貿易摩擦持續加劇，而半導體作為信息產業的基石和兵家必爭之地成為本輪貿易戰的焦點。2019 年，中美貿易戰、日韓半導體材料爭端對全球半導體產業競爭格局也帶來了較大的影響。在自主可控發展策略指導下、在資本與相關配套政策扶植下，中國大陸正在也必將成為全球半導體產業擴張寶地，未來幾年半導體產能擴充仍將有較大需求。2019 年國內半導體設備投資約為 923.51億元，國內半導體檢測設備市場規模約為67.43億元。在疫情結束后國內半導體投資將反彈及恢復增長，檢測設備市場規模也將隨之增長，預計 2022年將達到 103.22億元。
表1全球及我國半導體檢測設備的市場規模
數據來源：SEMI，中國半導體行業協會，CASA Research整理
按照探針臺占整個半導體檢測設備投資的15.2%測算，2018年、2019年、2020年全球的探針臺市場規模約為56.6億元、46.2億元、42.96億元，疫情結束后2021年、2022年有望將達到51.56億元、59.29 億元的需求。國內探針臺市場規模2019年約為10.25億元，2022年將增長到15.69億元。
數據來源：SEMI，CASA Research
三、半導體探針臺廠商的競爭格局
半導體設備的技術壁壘高。隨著半導體行業的迅速發展，半導體產品的加工面積成倍縮小，復雜程度與日俱增，生產半導體產品所需的制造設備需要綜合運用光學、物理、化學等科學技術，具有技術壁壘高、制造難度大及研發投入高等特點。
國際企業占主導，國內企業在突破。從全球市場看，半導體探針臺設備行業集中度較高，目前主要由國外廠商主導，行業呈現較高壟斷的競爭格局。東京精密(Accretech)、東京電子(Tokyo Electron)兩家公司占據全球約七成的市場份額。其次為臺灣企業，如臺灣惠特、臺灣旺矽等也占有較大的市場份額，特別是在LED探針臺領域具有優勢。
數據來源：CASA Research，SEMI，上市公司財報
從國內市場看，東京精密(Accretech)市場占比最高；第二梯隊為東京電子(Tokyo Electron)；而臺灣惠特和深圳矽電相差不大，占比在13%-15%。而中國本土企業中，深圳矽電是國內規模最大的探針臺生產企業，進展較快，近三年營業收入保持年均20%以上的增速，并且在大陸市場的基礎上，開始拓展中國臺灣地區市場。
此外，國內長川科技、中國電子科技集團45所、西700廠等廠商值得關注。長川科技的主要產品為測試機和分選機，探針臺處于研發階段，尚未形成收入。中國電子科技集團45所的探針臺在改革開放前曾一度是國內市場的主流機型，市場占有率高達67%，近年來依托原有技術積淀發展較快，探針臺產品包括手動探針測試臺和自動探針測試臺；西700廠主要側重于研制4探針模式的手動探計臺。
數據來源：CASA Research，SEMI，上市公司財報
數據來源： CASA Research、SEMI、上市公司財報
四、未來發展趨勢
1.市場趨勢：長期看好，短期存在風險
長期來看，國內的半導體整體產業及半導體制造業增長穩定，帶動封測需求。隨著聯網設備的大規模成長，以及對數據處理、運算能力和數據存儲的需求激升，驅動了物聯網、人工智能與高效能運算等技術的逐漸成熟，人工智能及物聯網等終端產品的應用，包括5G通訊、工業用智能制造、車用電子與智慧家居等需求即將爆發。終端應用持續攀升將導致對半導體的需求日漸增長，刺激半導體封測技術、需求明顯提升，催生IC封裝從低階封裝技術，朝向高階和先進封裝技術等領域發展。對于仰仗半導體封測業的探針臺產業而言，終端應用衍生的高階封裝需求激增，封測需求持續成長，加上半導體產業導入新材料所衍生的各種機會，都有望刺激探針卡市場需求持續增長。
短期來看，2020年半導體產業發展面臨的不確定性較多且復雜交織，一是貿易戰持續，給半導體的發展及競爭格局帶來不確定性；二是新冠狀病毒的疫情成為“黑天鵝”事件，席卷全球，對各行業均產生難以估量的影響。
2.技術趨勢：向高、精、尖和自動化發展
晶圓尺寸持續增大，從6”到8”再到目前的12"，而對應的探針臺也從手動向半自動和全自動發展。在此過程中，涉及到晶圓尺寸、精度、分辨率以及測試原理等變化，未來的探針臺將沿著以下幾個方向改進。
(1)測試品種多。早期的探針臺主要針對一些分立器件進行測試，測試精度要求不是很高，但是隨著信息化的發展、晶圓片尺寸增加、封裝尺寸的減小以及納米工藝技術的成熟，對測試效率和穩定性提出很高的要求。其產品測試已經擴展到SOC、霍爾元件等領域，因此，大直徑晶圓片測試、全自動晶圓測試以及高性能晶圓片測試是未來的發展方向。
(2)微變形接觸技術。Mirco Touch微接觸技術，它減少了測試易碎器件或者pad處于活動電測區域下的接觸破壞，實現了對于垂直升降系統的精準的控制，大大降低了探針接觸晶圓的沖擊力，同時也提高了測試過程中探針的精準度，保證了良品率。因此，未來的探針臺將會在微變形接觸等技術上投入更大的成本。
(3)非接觸測量技術。隨著電磁波理論和RFID (射頻識別)技術的成熟，接觸式測試將會因為更高的良率、更短的測試時間以及更低的產品成本等潛在優勢越來越受到青睞。這種測試方法中，每個裸片內含集成天線，TESTER通過電磁波與其通信，可以消除在標準測試過程中偶然發生的測試盤被損時間，減低缺陷率。
3.競爭趨勢：貿易摩擦下的國產替代機會
中國國產替代成為重要趨勢，龍頭公司將有10 倍以上市場增長空間。半導體設備的國產化既符合產業安全自主可控需求，也符合產業發展基本規律。只有在設備上擁有核心技術升級與迭代能力，才能真正實現半導體制造上實現超越，國產化率是當務之急，也勢不可擋。中國設備產業未來10 年，第一步將迎接中國半導體產業對設備投資需求成倍的增長，同時目標將國產化率從平均 5%~10%，提升到 70%~80%以上甚至更高；第二步中國設備廠商與國際廠商同臺競技之后，實現打開國門走向世界，從追趕到超越的升華。
在貿易戰背景下，“中興事件”、“華為事件”等系列事件，警醒了業內對硬科技缺失的重視，從國家層面到企業均開始推進半導體核心技術國產自主化，實現供應鏈安全可控，這加速了半導體材料和設備的國產化替代進程。目前，我國的半導體行業的國產化率仍然比較低，設備領域尤其明顯，探針臺市場領域，國產設備的在國內市場的份額不超過20%，亟需發展和提高。
隨著以深圳矽電、長川科技、中電科45所為代表的國內產設備企業飛速發展，預計未來國產探針臺在國內市場的占比將越來越高。國內半導體產業的逐步崛起，將給上游設備龍頭公司帶來較大的成長空間。【備注：任何機構個人轉載或引用其中數據資料，請注明“來源：CASA Research”，謝謝合作！】
