一文讀懂探針卡的概念、組成、分類以及應(yīng)用

老虎說(shuō)芯|Tiger Chip|

2024-10-23 12:18:22 637

探針卡（Probe Card）在集成電路測(cè)試中起著至關(guān)重要的作用，尤其在晶圓測(cè)試（wafer test）環(huán)節(jié)，探針卡作為連接ATE測(cè)試機(jī)臺(tái)和半導(dǎo)體晶圓之間的接口，確保了在芯片封裝前對(duì)其電學(xué)性能進(jìn)行初步測(cè)量和篩選。

1. 什么是探針卡？

探針卡可以形象地比作“醫(yī)生的聽(tīng)診器”，幫助工程師“聽(tīng)到”芯片的“心跳”。在芯片封裝之前，工程師需要確認(rèn)每個(gè)芯片是否正常工作，確保只有合格的芯片進(jìn)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(cè)試信號(hào)到ATE（自動(dòng)測(cè)試設(shè)備），幫助判斷芯片電性能的好壞。

2. 探針卡的結(jié)構(gòu)與組成

探針卡的結(jié)構(gòu)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(fù)責(zé)實(shí)際與晶圓接觸，PCB則作為載體，承載探針和其他元件，并實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳遞。根據(jù)測(cè)試要求，探針卡還可以包含其他元件，例如補(bǔ)強(qiáng)板（stiffener）以增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

主要組成部分：

探針（Probe）：負(fù)責(zé)與芯片表面焊墊接觸，將電信號(hào)傳遞給ATE設(shè)備。探針的材料多樣，常見(jiàn)的包括鎢、鈹銅等，每種材料都有其特殊的電學(xué)、機(jī)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(cè)試設(shè)備，確保測(cè)試信號(hào)的有效傳遞。

補(bǔ)強(qiáng)板（Stiffener）：提高探針卡的機(jī)械強(qiáng)度，避免因操作或使用中的彎曲導(dǎo)致探針無(wú)法精確接觸。

3. 探針卡的分類

根據(jù)結(jié)構(gòu)和技術(shù)，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(duì)較粗，通常用于傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jī)處理器、GPU等。這類探針卡的針痕較淺，適合反復(fù)多次測(cè)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(jī)電系統(tǒng)技術(shù)（Micro-Electrical-Mechanical Systems, MEMS），將探針做到極為精細(xì)，適合非常小間距、高針數(shù)的測(cè)試需求。MEMS探針卡具有高度的自動(dòng)化和一致性，常用于*先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝，例如7nm、5nm的高端處理器或GPU芯片。它像是“微型手術(shù)刀”，精度極高，能夠在微米級(jí)別的空間內(nèi)進(jìn)行探針排布。

4. 探針卡的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

探針卡作為CP（chip probing）測(cè)試中不可或缺的設(shè)備，主要用于晶圓測(cè)試環(huán)節(jié)，幫助在封裝前篩選出不良芯片。每一款探針卡都是針對(duì)特定芯片的定制化產(chǎn)品，不具備通用性。因此，盡管一個(gè)芯片的年產(chǎn)量可能達(dá)到百萬(wàn)片，但探針卡的需求量通常相對(duì)較少。

在實(shí)際應(yīng)用中，探針卡的設(shè)計(jì)與選擇對(duì)測(cè)試精度、效率、成本都有很大影響。探針的壽命和穩(wěn)定性、與晶圓的接觸質(zhì)量、探針痕跡的大小、探針之間的間距等，都是需要考慮的關(guān)鍵因素。比如在高針數(shù)、短針距的測(cè)試場(chǎng)景下，垂直探針卡和MEMS探針卡的優(yōu)勢(shì)顯著，而對(duì)于成本敏感、測(cè)試要求不高的場(chǎng)景，懸臂探針卡則是一個(gè)經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的選擇。

5. 探針卡的存儲(chǔ)與維護(hù)

探針卡非常精密，使用和存儲(chǔ)中需要小心維護(hù)。探針卡通常在出廠時(shí)真空包裝，避免空氣中的濕度和雜質(zhì)對(duì)探針產(chǎn)生影響。閑置的探針卡應(yīng)存放在濕度控制*的環(huán)境中，例如氮?dú)夤瘢３譂穸仍?5%左右，以延長(zhǎng)其使用壽命。

6. 探針卡的未來(lái)趨勢(shì)：MEMS技術(shù)的崛起

隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進(jìn)步，芯片的尺寸越來(lái)越小，焊墊間距也隨之減小。這對(duì)探針卡提出了更高的要求。MEMS探針卡憑借其極細(xì)的探針直徑、高度的一致性和穩(wěn)定性，正在成為未來(lái)高端探針卡的主流。與傳統(tǒng)懸臂探針卡不同，MEMS探針卡能夠支持更多針腳、細(xì)間距測(cè)試，并減少探針對(duì)晶圓的損傷。隨著5G、AI、物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的發(fā)展，MEMS探針卡的需求將越來(lái)越大。

7. 國(guó)內(nèi)外探針卡市場(chǎng)

目前，全球探針卡市場(chǎng)由幾大公司主導(dǎo)，F(xiàn)ormFactor（美國(guó)）、Technoprobe（意大利）和MJC（日本）是前三大供應(yīng)商，占據(jù)了全球市場(chǎng)的主要份額。美國(guó)的FormFactor是*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(yīng)用，具有極高的穩(wěn)定性。

相對(duì)而言，國(guó)內(nèi)探針卡市場(chǎng)起步較晚，但發(fā)展迅速。蘇州的強(qiáng)一半導(dǎo)體、道格特和矽利康等公司正在逐步縮小與國(guó)際巨頭之間的差距，尤其在懸臂式探針卡領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)企業(yè)已經(jīng)具備了與國(guó)外競(jìng)爭(zhēng)的能力。在MEMS探針卡領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)企業(yè)仍需進(jìn)一步技術(shù)積累，但隨著華為等龍頭企業(yè)的支持，未來(lái)國(guó)內(nèi)探針卡的國(guó)產(chǎn)化替代空間巨大。

8. 總結(jié)

探針卡在集成電路測(cè)試中的作用至關(guān)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(zhì)量的重要工具。

免責(zé)聲明：本文采摘自“老虎說(shuō)芯”，本文僅代表作者個(gè)人觀點(diǎn)，不代表薩科微及行業(yè)觀點(diǎn)，只為轉(zhuǎn)載與分享，支持保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明原出處及作者，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系我們刪除。

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