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扎“芯”了——CP探针卡的国产替代道阻且长

芯片

这是 IC 男奋斗史的第 19 篇原创
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之前在《凤姐如何变冰冰？》这篇文章中杰哥有介绍过 CP 测试，也提到了 CP 测试需要用到探针卡。那么探针卡到底是什么？探针卡在芯片测试领域的应用现状如何？全球有哪些主要的探针卡制造厂商？国内的探针卡企业发展如何？杰哥将在这篇文章中为大家一一解答。
探针卡是什么？
从应用角度看，探针卡是连接 ATE 测试机台与半导体晶圆之间的接口，是实现 CP 测试的必备器件，也是晶圆测试中的核心耗材。
在 CP 测试过程中，ATE 测试机台不能直接对晶圆进行量测，需要通过探针卡中的探针(probe) 与晶圆上的焊垫(pad) 或者凸块(bump) 接触后，才能与晶圆中的芯片(chip) 建立电气连接，从而达到电性能测试的目的。CP 是 chip probing 的缩写，其命名就是来源于探针卡，这也体现出探针卡在晶圆测试中的核心地位。
通过对晶圆上的芯片进行电性能测试，就可以筛除其中有缺陷的芯片，然后再去做封装。这样既可以减少芯片封装的成本，同时也能保证芯片的质量。
从结构上看，探针卡主要由 PCB、探针以及功能部件等组成。根据不同的情况，还会有电子元件、补强板(Stiffener) 等需求。其中 PCB 是芯片测试需要的连接板，芯片测试需要的所有外围电路通常都在 PCB 上面实现。
晶圆测试使用的探针卡属于定制器件，每一款产品都需要供应商根据芯片设计公司提供的输入信息进行定制化设计，不具备通用性，所以其出货量也不大。即便一款芯片在其生命周期内年出货量可以达到上百万片，探针卡的需求量通常每年也不会超过 3 个。
探针卡在芯片测试领域的应用现状
探针卡按照其结构类型主要分为悬臂式探针卡(Cantilever Probe Card)、垂直式探针卡(Vertical Probe Card) 以及 MEMS 探针卡(MEMS probe card) 三种类型。
1 悬臂式探针卡
悬臂式探针卡通常体积较大，探针直径也较大。探针的间距不能做的太小，探针数量也不能做的太多。主要应用于焊垫(pad) 或者凸块(bump) 尺寸较大的芯片上，例如传统的 Analog 芯片、Driver 芯片、Logic 芯片与利基型 Memory 芯片等。
悬臂式探针卡最大的优点是便宜，最大的缺点是换针比较麻烦。另外使用悬臂式针卡做 CP 测试时，针痕(probe mark) 通常比较大，同一片 wafer 不能复测太多次，否则 wafer 上的 pad 或者 bump 会受到损伤，从而影响后续芯片封装的良率。
2 垂直式探针卡
垂直式探针卡具有体积小、探针直径小、易更换等优点，可满足高针数、短针距等要求。主要应用于 pad 或者 bump 尺寸较小的高阶封装制成芯片上，例如手机处理器芯片、GPU 芯片或者射频芯片等。垂直式探针卡价格比悬臂式真卡要贵不少，在做 CP 测试时针痕也比较小，接触也更好一些。相对来说也不用担心 wafer 上 pad 或者 bump 被反复多次扎坏的问题。
3MEMS 探针卡
随着半导体工艺的发展，芯片上 bump 尺寸减小、数量增加，pad 金属层和 low-k 层间介质层变薄，进一步要求在晶圆测试环节采用尺寸和接触力较小的探针。垂直探针能进行阵列排布并满足 bump 测试要求，但是直径很难做到 25.4μm 以下，不能满足 80μm 以下间距阵列排布所需的超细直径，因此传统垂直探针的技术瓶颈很难突破。
MEMS(Micro-electro-mechanical Systems)，即微电机系统，是将微电子技术与机械工程融合到一起的一种工业技术，它的操作范围在微米尺度内。 使用 MEMS 工艺进行探针加工，不仅能轻松获得 25.4μm 以下直径的金属微结构，还具有批量加工优势，得到的探针结构具有良好的一致性，形成的阵列平面度非常高。
将 MEMS 工艺与能进行阵列排布和满足 bump 测试要求的垂直探针相结合，能够同时满足细间距、弹性测试范围、高针数和高密度等测试需求。MEMS 探针卡广泛应用于全球高端晶圆测试领域，例如 7nm 或者 5nm 制成的处理器芯片或者 GPU 芯片等。
全球主要探针卡供应商介绍
根据 QYResearch 最新的调研报告，2021 年全球探针卡市场规模大约 158 亿元(人民币)，预计 2022-2028 期间年复合增长率(CAGR) 为 6.5%，2028 年将达到 247 亿元[1]。
全球排名前五的探针卡供应商市场占有率约 70%，其中前三大供应商分别为 FormFactor(美国)、Technoprobe SpA(意大利) 以及 MJC(日本)。刚好这三家企业的产品杰哥在之前外企的时候全都用过，这里给大家分别介绍下。
1FormFactor(美国)
FormFactor 是全球最大的探针卡供应商，其总部位于美国加州利弗莫尔，在中国苏州设有分公司，即美博科技(苏州) 有限公司。
从产品性能与技术能力上看，FormFactor 都是全球第一。杰哥在外企工作的时候用的最多的也是 FormFacotr 的探针卡。杰哥工作后调试的第一个 CP 测试项目用的就是 FormFactor 的悬臂式探针卡，其性能非常稳定，很少出现 OS 问题。后期项目导入到工厂大规模量产阶段探针卡出问题的情况也非常少，只需要定期做好维护就行。
后来杰哥也使用过 FormFactor 的垂直式探针卡，性能与稳定性也都很好。不论在研发能力还是在技术储备上，FormFactor 在探针卡这个领域内都是首屈一指的。
FormFactor 这家企业的研发和生产都在美国国内，苏州这边只有销售和技术支持。这也造成了他们最大的短板——探针卡交期长，交付进度不可控。经历过芯片回片调试的小伙伴们，应该都知道探针卡交期的重要性。新产品晶圆回来没有针卡调试，一级一级的老板都会来 question，那压力一般工程师也承受不了啊。
杰哥到现在还清楚的记得，外企的同事天天给 FormFactor 苏州的销售打电话催针卡交期的情景。即便是我们请美国总部的同事去找 FormFactor 总部那边的销售去催进度，效果也收效甚微。
另外 FormFactor 的售后支持周期相对较长，尤其是碰到需要把探针卡寄回美国原厂维修的情况，那周期动辄就得一个月以上了。如果有小伙伴要采购 FormFactor 的探针卡，请一定记得提前在交期和维修周期上做好预案，避免到时候影响项目交付进度。
2Technoprobe SpA(意大利)
Technoprobe SpA 是全球第二大探针卡供应商，其总部位于意大利，在中国无锡设有分公司，即泰那普(无锡)半导体有限公司。
Technoprobe SpA 在产品性能与技术能力上都处于世界领先水平，在高端 MEMS 探针卡领域的技术能力甚至超过 FormFactor。杰哥离开外企前，当时我们团队在做的一个大型 SOC 项目用的就是 Technoprobe 的垂直式探针卡。性能也非常稳定，后期导入到大规模量产后也很少出现 OS 问题。
Technoprobe SpA 在国内也是只有销售和技术支持，研发和生产都在欧洲。最大的短板也是交期和返厂维修时间长。相对来说，Technoprobe SpA 比 FormFactor 在交付进度的可控性上要更好把握。
Technoprobe SpA 是欧洲传统芯片公司的主要供应商。最近几年在中国市场的增长很快，尤其是在擅长的高端 MEMS 探针卡领域，随着国内 5G 与 AI 芯片的高速发展，市场份额不断扩大。
3MJC(日本)
MJC 是全球第三大探针卡供应商，其总部位于日本，在中国苏州设有分公司，即昆山麦克芯微电子有限公司。去年 10 月份，MJC 在嘉兴科技城投资开建一个新的探针卡研发生产中心。
MJC 在高端 MEMS 探针卡领域的技术能力比前面两家公司弱一些，但是 MJC 在中国国内的发展却是三大企业里边最好的。杰哥在外企的时候，主要负责的一个 SOC 项目用的就是 MJC 的垂直探针卡。其稳定性要稍微差一些，温度切换时经常遇到 OS 问题，需要及时清针才能解决。后来导入到量产后，也一直存在少量接触问题导致的良率损失。
对比来看，MJC 最大的优势就是交期可控。虽然在高端针卡的性能上比前两大供应商差一些，但是其交付周期与维修周期都相对较短。这也是国内很多芯片设计公司喜欢用 MJC 产品的重要原因之一。
国内主要探针卡供应商介绍
【扎“芯”了——CP探针卡的国产替代道阻且长】国内探针卡企业主要集中在苏州，产品以低端的悬臂式探针卡为主。国内半导体圈儿以前流传过一个描述苏州探针卡企业的段子，杰哥在这里给大家说说。
前几年，有几个做芯片的去苏州考察探针卡供应商，跑累了就在街边随便找了一家小餐馆吃饭。一边吃一边聊考察的情况。结果餐馆老板听到后立马拿出一家探针卡企业的介绍资料，说这是他投资的公司，可以考虑考虑。
这个段子主要说明苏州做半导体支持产业的小公司非常多。这也是为什么大部分芯片设计公司都喜欢把总部放在上海的原因之一，上海周边的半导体产业链相对完善。
目前国内发展比较好的几家探针卡企业分别是强一半导体、道格特以及矽利康，这里给大家分别介绍下。
1 强一半导体
强一半导体位于苏州，是国内第一家拥有垂直式探针卡自主设计研发能力的企业。作为国内探针卡领域的引领者，目前已经实现了 MEMS 探针卡的量产，是极具自主创新和国产替代特点的高端制造产业代表性企业[2]。
强一半导体在悬臂式探针卡的技术能力上已经达到了国外先进水平，但是在高端 MEMS 针卡领域与国外企业还存在较大差距。2021 年 6 月，强一半导体获得了华为哈勃的投资，主要用于其高端 MEMS 针卡的研发与生产。相信在不久的将来，以强一半导体为代表的国内探针卡企业，也会在高端 MEMS 探针卡领域取得更大的突破。
强一半导体的客户既包括汇顶科技、Amlogic、龙芯、瑞芯微等国内芯片设计企业，也包括 Global Foundry、UMC、中芯国际、华虹宏力等国际晶圆制造企业。
2 道格特
道格特位于深圳，2011 年成立，是国内率先拥有悬臂卡、垂直卡、3D MEMS 卡全系列产品的探针卡企业之一。其产品贯穿芯片设计、工程验证、晶圆制造、成品测试全部环节。
道格特在存储芯片测试用 3D MEMS 探针卡、IGBT 测试用高压探针卡、DDI 测试用探针卡等领域填补国内空白，其产品研发能力与技术积累在国内属于领先水平，但与国外三大企业还存在较大差距。
3 矽利康
矽利康位于苏州，2009 年成立，至今已经有 13 年左右的技术积累。其产品主要包含悬臂式探针卡和垂直式探针卡两类。主要应用于集成电路、光电器件、传感器件、电子器件、LCD 等测试领域，服务的产业涉及半导体、军工、航天、汽车电子、工业控制、消费类电子、科院所等。
矽利康是目前国内少数拥有垂直式探针卡研发与生产能力的供应商之一，其产品研发能力与技术积累在国内属于领先水平。但是与国外企业还存在很大差距，尤其是在高端 MEMS 探针卡领域还处于空白。
作为国内企业，强一半导体、道格特与矽利康在产品交付周期与后期维护上都比国外供应商具有较大的优势。
目前探针卡市场依然是国外大厂占据主要份额，尤其是在高端领域，国内厂商与国外技术积累差距较大。我们要想在探针卡领域实现大规模国产化，还有很长的路要走。杰哥在这里也想鼓励国内的芯片设计公司，多使用国内探针卡供应商的产品，加速探针卡的国产替代。
全文完。
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参考文献：
[1]2021 年全球探针卡市场规模大约为 158 亿元（人民币），预计 2028 年将达到 247 亿元 2021 年全球探针卡市场规模大约为 158 亿元（人民币），预计 2028 年将达到 247 亿元：https://blog.csdn.net/QY_Rese...；
[2]华为哈勃投资晶圆探针卡企业一半导体：https://www.eet-china.com/new...；
END
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