這是IC男奮斗史的第19篇原創
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之前在《鳳姐如何變冰冰？》這篇文章中傑哥有介紹過CP測試，也提到了CP測試需要用到探針卡。那么探針卡到底是什么？探針卡在芯片測試領域的應用現狀如何？全球有哪些主要的探針卡制造廠商？國內的探針卡企業發展如何？傑哥將在這篇文章中為大家一一解答。
探針卡是什么？
從應用角度看，探針卡是連接ATE測試機台與半導體晶圓之間的接口，是實現CP測試的必備器件，也是晶圓測試中的核心耗材。
在CP測試過程中，ATE測試機台不能直接對晶圓進行量測，需要通過探針卡中的探針(probe) 與晶圓上的焊墊(pad) 或者凸塊(bump) 接觸后，才能與晶圓中的芯片(chip) 建立電氣連接，從而達到電性能測試的目的。CP是chip probing的縮寫，其命名就是來源於探針卡，這也體現出探針卡在晶圓測試中的核心地位。
通過對晶圓上的芯片進行電性能測試，就可以篩除其中有缺陷的芯片，然后再去做封裝。這樣既可以減少芯片封裝的成本，同時也能保證芯片的質量。
從結構上看，探針卡主要由PCB、探針以及功能部件等組成。根據不同的情況，還會有電子元件、補強板(Stiffener) 等需求。其中PCB是芯片測試需要的連接板，芯片測試需要的所有外圍電路通常都在PCB上面實現。
晶圓測試使用的探針卡屬於定制器件，每一款產品都需要供應商根據芯片設計公司提供的輸入信息進行定制化設計，不具備通用性，所以其出貨量也不大。即便一款芯片在其生命周期內年出貨量可以達到上百萬片，探針卡的需求量通常每年也不會超過3個。
探針卡在芯片測試領域的應用現狀
探針卡按照其結構類型主要分為懸臂式探針卡(Cantilever Probe Card)、垂直式探針卡(Vertical Probe Card) 以及MEMS探針卡(MEMS probe card) 三種類型。
1懸臂式探針卡
懸臂式探針卡通常體積較大，探針直徑也較大。探針的間距不能做的太小，探針數量也不能做的太多。主要應用於焊墊(pad) 或者凸塊(bump) 尺寸較大的芯片上，例如傳統的Analog芯片、Driver芯片、Logic芯片與利基型Memory芯片等。
懸臂式探針卡最大的優點是便宜，最大的缺點是換針比較麻煩。另外使用懸臂式針卡做CP測試時，針痕(probe mark) 通常比較大，同一片wafer不能復測太多次，否則wafer上的pad或者bump會受到損傷，從而影響后續芯片封裝的良率。
2垂直式探針卡
垂直式探針卡具有體積小、探針直徑小、易更換等優點，可滿足高針數、短針距等要求。主要應用於pad或者bump尺寸較小的高階封裝制成芯片上，例如手機處理器芯片、GPU芯片或者射頻芯片等。垂直式探針卡價格比懸臂式真卡要貴不少，在做CP測試時針痕也比較小，接觸也更好一些。相對來說也不用擔心wafer上pad或者bump被反復多次扎壞的問題。
3MEMS探針卡
隨着半導體工藝的發展，芯片上bump尺寸減小、數量增加，pad金屬層和low-k 層間介質層變薄，進一步要求在晶圓測試環節采用尺寸和接觸力較小的探針。垂直探針能進行陣列排布並滿足bump測試要求，但是直徑很難做到 25.4μm以下，不能滿足 80μm 以下間距陣列排布所需的超細直徑，因此傳統垂直探針的技術瓶頸很難突破。
MEMS(Micro-electro-mechanical Systems)，即微電機系統，是將微電子技術與機械工程融合到一起的一種工業技術，它的操作范圍在微米尺度內。 使用MEMS工藝進行探針加工，不僅能輕松獲得25.4μm以下直徑的金屬微結構，還具有批量加工優勢，得到的探針結構具有良好的一致性，形成的陣列平面度非常高。
將MEMS工藝與能進行陣列排布和滿足bump測試要求的垂直探針相結合，能夠同時滿足細間距、彈性測試范圍、高針數和高密度等測試需求。MEMS探針卡廣泛應用於全球高端晶圓測試領域，例如7nm或者5nm制成的處理器芯片或者GPU芯片等。
全球主要探針卡供應商介紹
根據QYResearch最新的調研報告，2021年全球探針卡市場規模大約158億元(人民幣)，預計2022-2028期間年復合增長率(CAGR) 為6.5%，2028年將達到247億元[1]。
全球排名前五的探針卡供應商市場占有率約70%，其中前三大供應商分別為FormFactor(美國)、Technoprobe SpA(意大利) 以及MJC(日本)。剛好這三家企業的產品傑哥在之前外企的時候全都用過，這里給大家分別介紹下。
1FormFactor(美國)
FormFactor是全球最大的探針卡供應商，其總部位於美國加州利弗莫爾，在中國蘇州設有分公司，即美博科技(蘇州) 有限公司。
從產品性能與技術能力上看，FormFactor都是全球第一。傑哥在外企工作的時候用的最多的也是FormFacotr的探針卡。傑哥工作后調試的第一個CP測試項目用的就是FormFactor的懸臂式探針卡，其性能非常穩定，很少出現OS問題。后期項目導入到工廠大規模量產階段探針卡出問題的情況也非常少，只需要定期做好維護就行。
后來傑哥也使用過FormFactor的垂直式探針卡，性能與穩定性也都很好。不論在研發能力還是在技術儲備上，FormFactor在探針卡這個領域內都是首屈一指的。
FormFactor這家企業的研發和生產都在美國國內，蘇州這邊只有銷售和技術支持。這也造成了他們最大的短板——探針卡交期長，交付進度不可控。經歷過芯片回片調試的小伙伴們，應該都知道探針卡交期的重要性。新產品晶圓回來沒有針卡調試，一級一級的老板都會來question，那壓力一般工程師也承受不了啊。
傑哥到現在還清楚的記得，外企的同事天天給FormFactor蘇州的銷售打電話催針卡交期的情景。即便是我們請美國總部的同事去找FormFactor總部那邊的銷售去催進度，效果也收效甚微。
另外FormFactor的售后支持周期相對較長，尤其是碰到需要把探針卡寄回美國原廠維修的情況，那周期動輒就得一個月以上了。如果有小伙伴要采購FormFactor的探針卡，請一定記得提前在交期和維修周期上做好預案，避免到時候影響項目交付進度。
2Technoprobe SpA(意大利)
Technoprobe SpA是全球第二大探針卡供應商，其總部位於意大利，在中國無錫設有分公司，即泰那普(無錫)半導體有限公司。
Technoprobe SpA在產品性能與技術能力上都處於世界領先水平，在高端MEMS探針卡領域的技術能力甚至超過FormFactor。傑哥離開外企前，當時我們團隊在做的一個大型SOC項目用的就是Technoprobe的垂直式探針卡。性能也非常穩定，后期導入到大規模量產后也很少出現OS問題。
Technoprobe SpA在國內也是只有銷售和技術支持，研發和生產都在歐洲。最大的短板也是交期和返廠維修時間長。相對來說，Technoprobe SpA比FormFactor在交付進度的可控性上要更好把握。
Technoprobe SpA是歐洲傳統芯片公司的主要供應商。最近幾年在中國市場的增長很快，尤其是在擅長的高端MEMS探針卡領域，隨着國內5G與AI芯片的高速發展，市場份額不斷擴大。
3MJC(日本)
MJC是全球第三大探針卡供應商，其總部位於日本，在中國蘇州設有分公司，即昆山麥克芯微電子有限公司。去年10月份，MJC在嘉興科技城投資開建一個新的探針卡研發生產中心。
MJC在高端MEMS探針卡領域的技術能力比前面兩家公司弱一些，但是MJC在中國國內的發展卻是三大企業里邊最好的。傑哥在外企的時候，主要負責的一個SOC項目用的就是MJC的垂直探針卡。其穩定性要稍微差一些，溫度切換時經常遇到OS問題，需要及時清針才能解決。后來導入到量產后，也一直存在少量接觸問題導致的良率損失。
對比來看，MJC最大的優勢就是交期可控。雖然在高端針卡的性能上比前兩大供應商差一些，但是其交付周期與維修周期都相對較短。這也是國內很多芯片設計公司喜歡用MJC產品的重要原因之一。
國內主要探針卡供應商介紹
國內探針卡企業主要集中在蘇州，產品以低端的懸臂式探針卡為主。國內半導體圈兒以前流傳過一個描述蘇州探針卡企業的段子，傑哥在這里給大家說說。
前幾年，有幾個做芯片的去蘇州考察探針卡供應商，跑累了就在街邊隨便找了一家小餐館吃飯。一邊吃一邊聊考察的情況。結果餐館老板聽到后立馬拿出一家探針卡企業的介紹資料，說這是他投資的公司，可以考慮考慮。
這個段子主要說明蘇州做半導體支持產業的小公司非常多。這也是為什么大部分芯片設計公司都喜歡把總部放在上海的原因之一，上海周邊的半導體產業鏈相對完善。
目前國內發展比較好的幾家探針卡企業分別是強一半導體、道格特以及矽利康，這里給大家分別介紹下。
1強一半導體
強一半導體位於蘇州，是國內第一家擁有垂直式探針卡自主設計研發能力的企業。作為國內探針卡領域的引領者，目前已經實現了MEMS探針卡的量產，是極具自主創新和國產替代特點的高端制造產業代表性企業[2]。
強一半導體在懸臂式探針卡的技術能力上已經達到了國外先進水平，但是在高端MEMS針卡領域與國外企業還存在較大差距。2021年6月，強一半導體獲得了華為哈勃的投資，主要用於其高端MEMS針卡的研發與生產。相信在不久的將來，以強一半導體為代表的國內探針卡企業，也會在高端MEMS探針卡領域取得更大的突破。
強一半導體的客戶既包括匯頂科技、Amlogic、龍芯、瑞芯微等國內芯片設計企業，也包括Global Foundry、UMC、中芯國際、華虹宏力等國際晶圓制造企業。
2道格特
道格特位於深圳，2011年成立，是國內率先擁有懸臂卡、垂直卡、3D MEMS卡全系列產品的探針卡企業之一。其產品貫穿芯片設計、工程驗證、晶圓制造、成品測試全部環節。
道格特在存儲芯片測試用3D MEMS探針卡、IGBT測試用高壓探針卡、DDI測試用探針卡等領域填補國內空白，其產品研發能力與技術積累在國內屬於領先水平，但與國外三大企業還存在較大差距。
3矽利康
矽利康位於蘇州，2009年成立，至今已經有13年左右的技術積累。其產品主要包含懸臂式探針卡和垂直式探針卡兩類。主要應用於集成電路、光電器件、傳感器件、電子器件、LCD等測試領域，服務的產業涉及半導體、軍工、航天、汽車電子、工業控制、消費類電子、科院所等。
矽利康是目前國內少數擁有垂直式探針卡研發與生產能力的供應商之一，其產品研發能力與技術積累在國內屬於領先水平。但是與國外企業還存在很大差距，尤其是在高端MEMS探針卡領域還處於空白。
作為國內企業，強一半導體、道格特與矽利康在產品交付周期與后期維護上都比國外供應商具有較大的優勢。
目前探針卡市場依然是國外大廠占據主要份額，尤其是在高端領域，國內廠商與國外技術積累差距較大。我們要想在探針卡領域實現大規模國產化，還有很長的路要走。傑哥在這里也想鼓勵國內的芯片設計公司，多使用國內探針卡供應商的產品，加速探針卡的國產替代。
全文完。
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參考文獻：
[1]2021年全球探針卡市場規模大約為158億元（人民幣），預計2028年將達到247億元2021年全球探針卡市場規模大約為158億元（人民幣），預計2028年將達到247億元：https://blog.csdn.net/QY_Research99/article/details/122882162；
[2]華為哈勃投資晶圓探針卡企業一半導體：https://www.eet-china.com/news/202106241048.html；
END
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