Last Updated on 2025 年 12 月 25 日 by 総合編集組
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為什麼AI時代，MEMS探針卡突然變得這麼重要？
當今半導體產業正處於前所未有的爆發期。大型語言模型（LLM）、高效能運算（HPC）晶片、5G/6G通訊、電動車與自動駕駛晶片……這些熱門應用背後，都需要超高密度、超高速度、超高可靠性的晶片。而這些先進晶片在量產前，必須經過嚴苛的晶圓級測試（Wafer Test），才能確保每一顆裸晶都是「已知良好裸晶」（Known Good Die, KGD）。
在這個關鍵環節，探針卡（Probe Card）扮演著晶片與自動測試設備（ATE）之間的「電氣橋樑」。而當晶片引腳數衝上2～3萬根、焊墊間距縮小到50μm甚至更細、測試頻率逼近40GHz、單根探針要承載超過1安培電流時，傳統懸臂式（Cantilever）探針卡已經完全跟不上腳步。
這就是MEMS探針卡崛起的時代背景。
MEMS（微機電系統）探針卡利用半導體製程技術，批量製造出數萬根微型彈簧狀探針，達到微米級對齊精度、極低接觸電阻、超過百萬次接觸壽命。它不再只是「升級版」探針卡，而是先進製程不可或缺的核心關鍵技術。
根據最新市場報告，2024年全球MEMS高密度探針卡市場規模已達約16億美元，預計到2034年將成長至42億美元，複合年成長率高達10.2%。這股成長動力，正是來自AI與HPC晶片對極致測試能力的巨大需求。
MEMS探針卡到底厲害在哪？核心技術一次看懂
1. 從「手工拉絲」到「晶圓級量產」的革命性轉變
傳統懸臂式探針卡主要靠鎢絲或鈹銅線材手工焊接，探針位置、角度、平面度高度依賴工人經驗，變異性大。當焊墊間距縮小到80μm以下時，這種方式幾乎無法保證X-Y對齊度小於8μm、平面度低於15μm的要求。
MEMS探針卡則完全不同。它採用與先進晶片製造相同的微影、深矽蝕刻（Deep Reactive Ion Etching）、晶圓鍵合、微電鍍等精密製程，在晶圓級一次批量生產數萬根完全一致的微型探針。
這種「批次製造（Batch Fabrication）」帶來的好處是：
- 探針間距可輕鬆做到50μm甚至更小
- 探針密度可達2～3萬根以上
- 每根探針的機械特性（硬度、彈性）高度一致
- 生產成本與品質可控性大幅提升
2. 關鍵性能指標：低電阻、高壽命、高電流
現代AI晶片測試對探針卡的要求極為嚴苛，以下是業界公認的關鍵指標：
| 性能指標 | 傳統懸臂式探針卡 | MEMS垂直探針卡 | 對AI/HPC晶片的意義 |
|---|---|---|---|
| 最小焊墊間距 | 通常 > 80μm | 可達 50μm 或更小 | 支援超高I/O密度先進製程 |
| 最大探針數 | 數百～數千根 | 2萬～3萬根 | 一次測試數千顆AI晶片 |
| 接觸力均勻性 | 較高變異 | 極高一致性 | 確保每顆晶片測試結果可靠 |
| 平均接觸電阻 | ≥ 1.0 Ω | 0.2 Ω ～ 1.0 Ω（穩定） | 降低功率損耗、維持高頻信號完整性 |
| 疲勞壽命（接觸次數） | 數萬次 | 超過100萬次 | 顯著降低測試成本（COO） |
| 單根探針電流承載 | 較低 | 可達 1A 以上 | 支援AI晶片高功率測試 |
例如，業界領先廠商已實現在1.44克力下平均接觸電阻僅0.2Ω，40GHz高頻測試下插入損耗小於-1dB，這些指標直接決定了AI晶片量產良率。
AI與HPC晶片測試的三大終極挑戰
挑戰一：超高引腳數 + 超細間距微凸塊
最新一代AI加速器晶片，單顆晶片引腳數動輒2萬～3萬根，微凸塊（Microbump）直徑僅25μm、間距45μm。傳統探針根本無法精準接觸這麼小的目標。
MEMS探針卡的垂直彈簧結構與微米級對齊精度，成為唯一可行的解決方案。
挑戰二：高電流 + 熱效應的惡性循環
AI晶片測試時需要極高功率輸入，單根探針必須承載1A以上電流。大電流帶來嚴重熱效應，導致晶圓夾具（Chuck）與探針卡之間產生微米級熱膨脹偏移，進而造成對準誤差。
解決方案需要結合高熱穩定性材料、低熱膨脹係數空間轉換器，以及先進的對準補償演算法，才能在高溫環境下維持微米級精度。
挑戰三：先進封裝下的「全速測試」需求
2.5D中介層、3D堆疊、Chiplet異構整合等先進封裝技術，讓晶片內部互連更加複雜。測試不再只是單純功能驗證，還必須在**實際運行速度（at-speed）**下驗證晶片間互連（D2D）、矽穿孔（TSV）等關鍵結構。
這要求探針卡具備極高信號完整性、低串擾、低電感特性，同時支援極端溫度測試（例如-60℃～200℃），以滿足汽車電子等高可靠性應用。
全球製造優勢版圖：技術與產能的二元結構
技術領導者：北美、日本、歐洲
- 美國：FormFactor Inc. 擁有全球最先進的混合式MEMS技術，Apollo™、Kepler™、SmartMatrix™等系列產品專為AI/HPC與高頻測試設計，市場份額領先。
- 日本：Micronics Japan（MJC）、Japan Electronic Materials（JEM）在超精密製造與高頻解決方案佔有優勢。
- 歐洲：Technoprobe S.p.A. 憑藉TPEG垂直MEMS技術，在亞洲市場快速擴張。
應用與產能重心：亞太地區
亞太地區（台灣、韓國、中國大陸）擁有全球主要晶圓代工廠（TSMC、Samsung、SMIC等），因此成為先進探針卡最大的消費與維修市場，2024年營收份額高達44.2%。
探針卡是高頻消耗品，客戶希望供應商能提供在地化快速維修服務。因此，Technoprobe等廠商積極在亞洲擴廠，縮短維修交期從原本的8週大幅縮短至1週以內。
實際使用者最在意的：總擁有成本（COO）與可靠性
雖然MEMS探針卡初期採購成本較高，但其超長壽命與高測試效率讓總擁有成本（Cost of Ownership）遠低於傳統卡片。
- 一張優質MEMS探針卡可承受超過100萬次接觸，單次測試可同時覆蓋數千顆DRAM或邏輯晶片。
- 可靠的在地化維修服務，能將平均維修前接觸次數（MTD）從2.5萬次提升至35萬次以上，機台利用率從58%提高到70%。
未來展望：從被動接觸到智慧主動控制
下一代MEMS探針卡將朝以下方向演進：
- 更細間距：挑戰30μm以下焊墊
- 更高頻寬：支援100GHz以上測試
- 智慧化：內建MEMS致動器與感測器，實時監測溫度、接觸力、對準偏差，並自動微調補償熱漂移
- 跨領域應用：量子晶片超低溫測試、光學MEMS整合、汽車高可靠性Kelvin測試等
結語：MEMS探針卡已成為AI晶片量產的「守門員」
在AI與HPC時代，晶片越做越複雜、越做越精密，測試難度也呈指數級上升。MEMS探針卡憑藉微米級精度、百萬次壽命、高電流承載能力，成為先進製程不可或缺的關鍵技術。
全球供應鏈呈現「技術源自美日歐、產能與應用重心在亞太」的二元結構，未來競爭將聚焦於在地化服務速度與智慧化技術突破。
對於半導體從業人員、投資人、甚至對科技產業有興趣的朋友來說，MEMS探針卡無疑是AI時代最值得關注的隱形冠軍之一。
參考來源：
- Probe Card Market, Share | Industry Trend & Forecast 2030 – IndustryARChttps://www.industryarc.com/Research/probe-card-market-research-800218
- Cantilever vs Vertical Probe Card: A Complete Technical Comparison for Semiconductor Wafer Testing – JUNR-Wuxi Junr Technology Co., Ltd. https://www.junr.com.cn/en/junr-blogs/729.html
- What is MEMS? | FormFactor, Inc. https://www.formfactor.com/blog/2024/what-is-mems/
- AI Processor Testing – Wafer-Level Test Solutions | FormFactor Inc. https://www.formfactor.com/applications/high-volume-test-on-wafer/ai-processors/
- Global Semiconductor Probe Cards Market Research Report 2025 https://reports.valuates.com/market-reports/QYRE-Auto-15L17713/global-semiconductor-probe-cards
- MEMS High Density Probe Cards Market Size | CAGR of 10% https://market.us/report/mems-high-density-probe-cards-market/
- Technoprobe S.p.A. Company Presentation https://www.technoprobe.com/wp-content/uploads/2023/12/TPRO_Company-Presentation_Dec-23.pdf
- Probe Cards – Design and Manufacturing | FormFactor, Inc. https://www.formfactor.com/products/probe-cards/
- Probe Card｜Products・Service｜MICRONICS JAPAN CO.,LTD.https://www.mjc.co.jp/en/products_service/probecard/
- High-Precision Probe Cards for Testing – T.I.P.S https://tips.co.at/products/probe-cards/
