一文讀懂探針卡的概念、組成、分類以及應用

老虎說芯|Tiger Chip|

2024-10-23 12:21:47 848

探針卡（Probe Card）在集成電路測試中起著至關重要的作用，尤其在晶圓測試（wafer test）環節，探針卡作為連接ATE測試機臺和半導體晶圓之間的接口，確保了在芯片封裝前對其電學性能進行初步測量和篩選。

1. 什么是探針卡？

探針卡可以形象地比作“醫生的聽診器”，幫助工程師“聽到”芯片的“心跳”。在芯片封裝之前，工程師需要確認每個芯片是否正常工作，確保只有合格的芯片進入下一步封裝流程。由于芯片極小，探針卡上的探針就像精密的“探頭”，它們與晶圓表面的焊墊（pad）或凸塊（bump）接觸，傳遞測試信號到ATE（自動測試設備），幫助判斷芯片電性能的好壞。

2. 探針卡的結構與組成

探針卡的結構類似于一塊定制的電路板（PCB），它由探針（probe）和其他功能部件組成。探針是探針卡的核心部件，負責實際與晶圓接觸，PCB則作為載體，承載探針和其他元件，并實現信號傳遞。根據測試要求，探針卡還可以包含其他元件，例如補強板（stiffener）以增強其穩定性。

主要組成部分：

探針（Probe）：負責與芯片表面焊墊接觸，將電信號傳遞給ATE設備。探針的材料多樣，常見的包括鎢、鈹銅等，每種材料都有其特殊的電學、機械性能。

PCB（Printed Circuit Board）：電路板是探針卡的重要組成部分，它連接了探針與測試設備，確保測試信號的有效傳遞。

補強板（Stiffener）：提高探針卡的機械強度，避免因操作或使用中的彎曲導致探針無法精確接觸。

3. 探針卡的分類

根據結構和技術，探針卡可以分為以下幾種類型：

3.1 懸臂式探針卡（Cantilever Probe Card）

懸臂式探針卡可以想象成“吊橋”。

它的探針呈懸臂狀伸向晶圓，與晶圓表面接觸。這類探針卡成本較低，探針相對較粗，通常用于傳統模擬芯片、邏輯芯片等需要較大焊墊或凸塊的芯片。然而，它的探針直徑較大，針痕也較深，晶圓上的焊墊在多次接觸后容易受損。

3.2 垂直式探針卡（Vertical Probe Card）

垂直式探針卡則可以比作“電梯”，探針垂直排列，與晶圓表面垂直接觸。這種結構可以容納更多針腳，適用于焊墊或凸塊較小的高端芯片，如手機處理器、GPU等。這類探針卡的針痕較淺，適合反復多次測試，且探針之間的間距可以做到非常小。

3.3 MEMS探針卡（MEMS Probe Card）

MEMS探針卡采用微機電系統技術（Micro-Electrical-Mechanical Systems, MEMS），將探針做到極為精細，適合非常小間距、高針數的測試需求。MEMS探針卡具有高度的自動化和一致性，常用于最先進的半導體工藝，例如7nm、5nm的高端處理器或GPU芯片。它像是“微型手術刀”，精度極高，能夠在微米級別的空間內進行探針排布。

4. 探針卡的應用與挑戰

探針卡作為CP（chip probing）測試中不可或缺的設備，主要用于晶圓測試環節，幫助在封裝前篩選出不良芯片。每一款探針卡都是針對特定芯片的定制化產品，不具備通用性。因此，盡管一個芯片的年產量可能達到百萬片，但探針卡的需求量通常相對較少。

在實際應用中，探針卡的設計與選擇對測試精度、效率、成本都有很大影響。探針的壽命和穩定性、與晶圓的接觸質量、探針痕跡的大小、探針之間的間距等，都是需要考慮的關鍵因素。比如在高針數、短針距的測試場景下，垂直探針卡和MEMS探針卡的優勢顯著，而對于成本敏感、測試要求不高的場景，懸臂探針卡則是一個經濟實惠的選擇。

5. 探針卡的存儲與維護

探針卡非常精密，使用和存儲中需要小心維護。探針卡通常在出廠時真空包裝，避免空氣中的濕度和雜質對探針產生影響。閑置的探針卡應存放在濕度控制*的環境中，例如氮氣柜，保持濕度在25%左右，以延長其使用壽命。

6. 探針卡的未來趨勢：MEMS技術的崛起

隨著半導體工藝的不斷進步，芯片的尺寸越來越小，焊墊間距也隨之減小。這對探針卡提出了更高的要求。MEMS探針卡憑借其極細的探針直徑、高度的一致性和穩定性，正在成為未來高端探針卡的主流。與傳統懸臂探針卡不同，MEMS探針卡能夠支持更多針腳、細間距測試，并減少探針對晶圓的損傷。隨著5G、AI、物聯網等新興技術的發展，MEMS探針卡的需求將越來越大。

7. 國內外探針卡市場

目前，全球探針卡市場由幾大公司主導，FormFactor（美國）、Technoprobe（意大利）和MJC（日本）是前三大供應商，占據了全球市場的主要份額。美國的FormFactor是最大的探針卡制造商，其懸臂式和垂直式探針卡在全球廣泛應用，具有極高的穩定性。

相對而言，國內探針卡市場起步較晚，但發展迅速。蘇州的強一半導體、道格特和矽利康等公司正在逐步縮小與國際巨頭之間的差距，尤其在懸臂式探針卡領域，國內企業已經具備了與國外競爭的能力。在MEMS探針卡領域，國內企業仍需進一步技術積累，但隨著華為等龍頭企業的支持，未來國內探針卡的國產化替代空間巨大。

8. 總結

探針卡在集成電路測試中的作用至關重要。它不僅是ATE與晶圓之間的接口，也是確保芯片良率和質量的重要工具。

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