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06-21
—— 晶圆测试正在被推向新的极限 ——《半导体芯科技》 10 月/11 月号 作者：John West, Lin Fu, VLSIreseach Europe Ltd. 半导体测试流程中至关重要的一环是使用探针卡进行晶圆测试。
探针卡是测试耗材，是测试所需的电气连接。
2017 年，半导体行业在探针卡上的花费超过 20 亿美元，这一成本每十年就会翻一番。
是什么导致晶圆检测耗材成本如此之高？仅 2017 年，探针卡就测试了超过 1.4 亿片晶圆，这意味着需要数十万亿个电气连接。
随着技术不断更新和升级，半导体测试环境变得越来越具有挑战性。
如： * 智能手机开发。
以 iPhone 12 为例，5G 移动网络中使用的芯片需要在更高的频率下运行，并且在测试过程中确保信号完整性非常棘手。
* 传统汽车向电动汽车的转变。
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，还有电动汽车所使用的芯片，需要在更高的电压/电流下进行测试，这也给汽车制造商增添了新的问题。
* 高性能计算（HPC）。
HPC汇集了计算机体系结构、算法、系统软件、程序、电子等多种技术，广泛应用于航空航天、国家安全、医学等多个领域。
HPC芯片需要高速测试、通常有数千个连接，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，以应对更高频率、更大功率、更高探针密度等挑战。
虽然半导体行业在探针卡上的支出持续增加，但每个连接的成本随着时间的推移呈下降趋势。
这对于英特尔、美光、英飞凌、三星等全球芯片制造商来说是个好消息。
探针卡分析 探针卡用于识别晶圆上的不良芯片，以便将其从进一步的处理中去除。
根据芯片的复杂程度，测试可能需要几个月的时间，成功的芯片良率可达 20% - 80%。
因此，晶圆测试显然非常重要。
探针卡的类型有很多种，例如悬臂卡（Cantilever）、垂直卡（Vertical）、MEMS卡等，典型的价格范围从几千美元到几十万美元不等。
但本质上，探针是由探针及其固定组件组成，而探针卡是由探针和用于连接测试机的印刷电路板（PCB）组成。
一些探针卡还包括其他组件，例如导板和空间转换器。
探针卡PCB与传统PCB制造不同。
随着引脚间距的减小，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，可能仅包含少量直接连接到 PCB 的探针。
从悬臂卡到垂直卡再到 MEMS 卡的转变将现有技术推向了极限，并成为高度工程化的产品。
微机电系统 (MEMS) 由尺寸从 1 到微米的组件组成。
一些基于 MEMS 的探针头可能有超过 100,000 个探针，每个探针都必须完美对准并能够在晶圆上建立数十万个接触连接。
组装这些探头是一项耗时的任务，通常需要数周的时间才能手工完成。
即使采用自动化，也需要几天的时间。
由于探针之间的距离非常近，因此需要将探针延伸到更大的区域，然后才能将其连接到 PCB。
这需要通过空间转换器来完成。
根据应用的不同，这可能会增加探针卡的成本。
增加 50,000 美元。
最后值得一提的是，每个探针与晶圆的接触力相当于几克，这意味着餐盘大小的探针卡上的十万个探针需要承受超过公斤的负载，才能确保所有探针都能够正常工作。
引脚可以与晶圆形成良好的电接触。
探针卡供应商格局我们在上面概述了探针卡在半导体行业中发挥的关键作用，确保测试后的高质量、可靠的产品最终到达客户手中。
那么在实际应用中，有哪些供应商在生产探针卡，竞争格局如何？今天这个价值 20 亿美元的行业与 30 年前有很大不同，当时许多芯片制造商都生产自己的测试探针卡。
如今，探针卡的供应极其多样化，活跃在市场上的供应商有来自全球 7 个地区的 50 多家。
前三名分别是FormFactor（北美）、Technoprobe（欧洲）和Micronics Japan（日本）。
这些领先的供应商各有特点：FormFactor通过自身业务的不断增长和企业收购，已经成为最大的探针卡供应商。
目前占据约27%的市场份额，年销售额超过5.8亿美元。
Technoprobe 专注于非存储应用，多年来销售额增长速度均高于市场平均水平，与 FormFactor 一样，Technoprobe 也是一家小型家族企业。
如今，它在欧洲、美洲和亚洲拥有超过 1,000 名员工。
Micronics Japan 是一家于 2007 年成立的日本公司，在存储测试领域占据主导地位，其年销售额几乎是第二大存储探针卡供应商的两倍。
近年来，半导体制造已向韩国、台湾和中国大陆转移，导致这些地区本土供应商迅速崛起。
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%。
中国大陆占比不足2%。
中国大陆供应商包括深圳多吉特、上海陶盛、沉阳盛仁、苏州强益半导体、苏州Siliconecon、上海斯蒂尔半导体等，主要以悬臂卡和立式卡为主。
中国大陆在探针卡技术方面略显落后，正在努力迎头赶上。
例如，深圳Daugate近两年一直与本土存储芯片厂商合作，推动MEMS卡的研发。
另外，探针卡行业的一大特点是，小规模供应商也有自己的市场和成长空间。
例如，英国的 Probe Test Solutions 通过与客户密切合作并提供高效、快速的解决方案，不断发展壮大。
这种竞争格局创造了一个充满活力和繁荣的市场。
收购与被收购、新供应商的加入、区域转移、市场份额的变化足以让每一个从业者充满期待。
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