—— Wafer testing is being pushed to new limits ——

来源：《半导体芯科技》2021年10/11月刊

作者: John West, Lin Fu, VLSIreseach Europe Ltd.

半导体测试过程中一个至关重要的部分是使用探针卡进行晶圆测试。探针卡属于检测耗材，是进行测试时所需的电连接。 2020 年，半导体行业在探针卡上的花费超过20 亿美元，并且每十年此花费会翻一番，如此巨大的晶圆检测耗材成本是由什么推动的呢？

仅2020年，探针卡测试的晶圆数量超过 1.4 亿片，这意味着需要数十万亿电连接。随着技术的不断更新升级，半导体的测试环境也变得越来越具有挑战性。如：

* 智能手机开发。例如 iPhone 12 - 用于 5G 移动网络的芯片需要以更高的频率运行，在测试过程中，如何确保信号的完整性是很棘手的。

* 传统汽车转向电动汽车。汽车行业面临的巨大挑战不仅是众所周知的电池和充电技术，用于电动汽车的芯片，因其需要在更高的电压/电流下进行测试，也给汽车制造商增加了新的难题。

* 高性能计算 (HPC)。HPC汇集了多种技术，如计算机架构、算法、系统软件、程序、电子等，被广泛应用于从航空航天、国家安全、医学等诸多领域。HPC芯片需要高速测试，通常有数以千计的连接，这意味着探针密度变得非常高。

因此，探针卡供应商必须不断开发能够测试包含下一代芯片的晶圆的新产品，以应对更高的频率、更大的功率、更高的探针密度等多种挑战。虽然半导体行业在探针卡上的花费不断增加，但是每个连接的成本随着时间的推移呈下降趋势。这对英特尔、美光、英飞凌、三星等全球芯片制造商来说是个好消息。

探针卡剖析

探针卡用于识别晶圆上的不良芯片，以便将它们从进一步加工中移除。根据芯片的复杂性，测试可能需要几个月的时间，成功的芯片良率可能在 20% - 80% 之间。因此，晶圆测试显然是非常重要的。探针卡有多种类型，如悬臂卡（Cantilever）、垂直卡（Vertical）、MEMS卡等，典型的价格区间从几千美元到十几万美元不等。但本质上，都是由探针及其固定元件构成探头，由探头和用于连接测试机的印刷电路板（PCB）组成探针卡。一些探针卡还包含引导板（guide plate） 和空间转换器（space transformer）等其他要件。探针卡PCB不同于传统PCB的制造，随着针距减小，制造难度增加，只有少数供应商能够满足行业的尖端需求。

悬臂探针卡相对简单，可能仅由少量直接连接到 PCB 的探针组成。从悬臂卡过渡到垂直卡，再发展到MEMS卡，已经将现有技术推向了极限，成为高度工程化的产品。微机电系统（MEMS）由尺寸在 1 到 100 微米之间的组件组成。一些基于 MEMS 的探针头可能有超过 10 万个探针，每个针头都必须完美对齐，并且能够达到在晶圆上进行数十万次接触连接。组装这些探头是一项十分耗时的工作，通常需要数周时间手工完成。即使使用自动化，也需要几天时间。由于探针间距很近，将探头连接到 PCB之前需要将其扩展到更大的区域，这需要由空间转换器（space transformer）完成，根据应用的不同，这可能会使探针卡的成本再增加 5 万美元。最后，值得一提的是，每个探针以相当于几克的力与晶圆接触，这意味着餐盘大小的探针卡上的十万探针需要承受超过 500kg 的负载，以确保所有针都能与晶圆进行良好的电接触。

探针卡供应商格局

我们以上概述了探针卡在半导体行业中发挥的关键作用，可以确保测试后的高质量、可靠的产品最终到达客户手中。那么实际应用中，哪些供应商在制造探针卡，竞争格局如何？

这个当下价值 20 亿美元的行业与30年前非常不同，过去许多芯片制造商生产自己的测试探针卡。如今，探针卡的供应极具多样化，有来自全球 7 个地区的 50 多家供应商活跃在市场中。前三名分别是FormFactor（北美）、Technoprobe（欧洲）和Micronics Japan（日本）。

这些头部供应商各具特色：FormFactor 通过自身业务的不断成长结合企业收购成为时下最大的探针卡供应商，目前占据了大约 27% 的市场份额，2020年销售额超过 5.8 亿美元。Technoprobe 专注于非存储类应用，多年来销售额增长率一直超过市场平均水平，与 FormFactor 一样，最初只是一家小型家族企业。今天，在欧洲、美洲和亚洲拥有超过 1000 名员工。Micronics Japan 是一家成立于 1970 年的日本公司，在存储领域测试中占据主导地位，年销售额几乎是第二大存储类探针卡供应商的两倍。

近年来，半导体制造已迁移到韩国、中国台湾及中国大陆，从而导致这些地区的本土供应商迅速涌现。韩国探针卡供应商目前占全球市场份额的13%，中国台湾占10%。中国大陆不足2%，中国大陆供应商包括深圳道格特，上海韬盛，沈阳圣仁，苏州强一半导体，苏州矽利康，上海依然半导体等，主要专注在悬臂卡和垂直卡领域。中国大陆在探针卡技术上稍有落后，正在努力追赶，如深圳道格特近两年来正与本土的存储类芯片制造商合作，推进MEMS卡的研发。

此外，探针卡行业的一大特点是小规模的供应商同样有自己的市场及成长空间。如位于英国的Probe Test Solutions 通过与客户的密切合作、提供高效快速的解决方案而不断发展壮大。这种竞争格局造就了一个充满活力且繁荣的市场。收购与被收购、新的供应商加入、区域转移、市场份额不断变化，足以让每个从业者充满期待。