一文读懂探针卡的概念、组成、分类以及应用

老虎说芯|Tiger Chip|

2024-10-23 12:21:47 750

探针卡（Probe Card）在集成电路测试中起着至关重要的作用，尤其在晶圆测试（wafer test）环节，探针卡作为连接ATE测试机台和半导体晶圆之间的接口，确保了在芯片封装前对其电学性能进行初步测量和筛选。

1. 什么是探针卡？

探针卡可以形象地比作“医生的听诊器”，帮助工程师“听到”芯片的“心跳”。在芯片封装之前，工程师需要确认每个芯片是否正常工作，确保只有合格的芯片进入下一步封装流程。由于芯片极小，探针卡上的探针就像精密的“探头”，它们与晶圆表面的焊垫（pad）或凸块（bump）接触，传递测试信号到ATE（自动测试设备），帮助判断芯片电性能的好坏。

2. 探针卡的结构与组成

探针卡的结构类似于一块定制的电路板（PCB），它由探针（probe）和其他功能部件组成。探针是探针卡的核心部件，负责实际与晶圆接触，PCB则作为载体，承载探针和其他元件，并实现信号传递。根据测试要求，探针卡还可以包含其他元件，例如补强板（stiffener）以增强其稳定性。

主要组成部分：

探针（Probe）：负责与芯片表面焊垫接触，将电信号传递给ATE设备。探针的材料多样，常见的包括钨、铍铜等，每种材料都有其特殊的电学、机械性能。

PCB（Printed Circuit Board）：电路板是探针卡的重要组成部分，它连接了探针与测试设备，确保测试信号的有效传递。

补强板（Stiffener）：提高探针卡的机械强度，避免因操作或使用中的弯曲导致探针无法精确接触。

3. 探针卡的分类

根据结构和技术，探针卡可以分为以下几种类型：

3.1 悬臂式探针卡（Cantilever Probe Card）

悬臂式探针卡可以想象成“吊桥”。

它的探针呈悬臂状伸向晶圆，与晶圆表面接触。这类探针卡成本较低，探针相对较粗，通常用于传统模拟芯片、逻辑芯片等需要较大焊垫或凸块的芯片。然而，它的探针直径较大，针痕也较深，晶圆上的焊垫在多次接触后容易受损。

3.2 垂直式探针卡（Vertical Probe Card）

垂直式探针卡则可以比作“电梯”，探针垂直排列，与晶圆表面垂直接触。这种结构可以容纳更多针脚，适用于焊垫或凸块较小的高端芯片，如手机处理器、GPU等。这类探针卡的针痕较浅，适合反复多次测试，且探针之间的间距可以做到非常小。

3.3 MEMS探针卡（MEMS Probe Card）

MEMS探针卡采用微机电系统技术（Micro-Electrical-Mechanical Systems, MEMS），将探针做到极为精细，适合非常小间距、高针数的测试需求。MEMS探针卡具有高度的自动化和一致性，常用于最先进的半导体工艺，例如7nm、5nm的高端处理器或GPU芯片。它像是“微型手术刀”，精度极高，能够在微米级别的空间内进行探针排布。

4. 探针卡的应用与挑战

探针卡作为CP（chip probing）测试中不可或缺的设备，主要用于晶圆测试环节，帮助在封装前筛选出不良芯片。每一款探针卡都是针对特定芯片的定制化产品，不具备通用性。因此，尽管一个芯片的年产量可能达到百万片，但探针卡的需求量通常相对较少。

在实际应用中，探针卡的设计与选择对测试精度、效率、成本都有很大影响。探针的寿命和稳定性、与晶圆的接触质量、探针痕迹的大小、探针之间的间距等，都是需要考虑的关键因素。比如在高针数、短针距的测试场景下，垂直探针卡和MEMS探针卡的优势显著，而对于成本敏感、测试要求不高的场景，悬臂探针卡则是一个经济实惠的选择。

5. 探针卡的存储与维护

探针卡非常精密，使用和存储中需要小心维护。探针卡通常在出厂时真空包装，避免空气中的湿度和杂质对探针产生影响。闲置的探针卡应存放在湿度控制*的环境中，例如氮气柜，保持湿度在25%左右，以延长其使用寿命。

6. 探针卡的未来趋势：MEMS技术的崛起

随着半导体工艺的不断进步，芯片的尺寸越来越小，焊垫间距也随之减小。这对探针卡提出了更高的要求。MEMS探针卡凭借其极细的探针直径、高度的一致性和稳定性，正在成为未来高端探针卡的主流。与传统悬臂探针卡不同，MEMS探针卡能够支持更多针脚、细间距测试，并减少探针对晶圆的损伤。随着5G、AI、物联网等新兴技术的发展，MEMS探针卡的需求将越来越大。

7. 国内外探针卡市场

目前，全球探针卡市场由几大公司主导，FormFactor（美国）、Technoprobe（意大利）和MJC（日本）是前三大供应商，占据了全球市场的主要份额。美国的FormFactor是最大的探针卡制造商，其悬臂式和垂直式探针卡在全球广泛应用，具有极高的稳定性。

相对而言，国内探针卡市场起步较晚，但发展迅速。苏州的强一半导体、道格特和矽利康等公司正在逐步缩小与国际巨头之间的差距，尤其在悬臂式探针卡领域，国内企业已经具备了与国外竞争的能力。在MEMS探针卡领域，国内企业仍需进一步技术积累，但随着华为等龙头企业的支持，未来国内探针卡的国产化替代空间巨大。

8. 总结

探针卡在集成电路测试中的作用至关重要。它不仅是ATE与晶圆之间的接口，也是确保芯片良率和质量的重要工具。

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