多維度入手打造穩(wěn)定高效的自動測試設(shè)備，迎接集成電路融合時代的機遇與挑戰(zhàn)

5G、人工智能、新能源等新技術(shù)的成熟驅(qū)動各行業(yè)加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型落地，從而持續(xù)推動全球半導體行業(yè)穩(wěn)步增長。根據(jù)IC Insights半導體行業(yè)報告，預(yù)計2022年全球半導體總銷售額將再增長11%，達到6806億美元的新紀錄。半導體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)繁榮也讓半導體自動測試設(shè)備（ATE）的市場規(guī)模隨之水漲船高，預(yù)計2028年將達到72億美元。

ADI中國區(qū)工業(yè)市場總監(jiān)蔡振宇

作為半導體產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵一環(huán)，ATE貫穿著半導體設(shè)計、制造和封裝全環(huán)節(jié)，對產(chǎn)品良率的監(jiān)控及產(chǎn)品質(zhì)量的判斷至關(guān)重要。然而面對當今不斷變化的IC產(chǎn)業(yè)，ATE測試也面臨各種新的挑戰(zhàn)?！靶酒呀?jīng)進入3nm時代，一顆芯片上承載的功能也越來越多，芯片工藝越來越復雜，這不僅意味著測試的復雜度成倍遞增，也讓芯片的良率更依賴測試的高級功能。如何才能快速且高效地完成新一代ATE方案的開發(fā)，以滿足市場對大量出貨、類型各異的半導體測試需求成為了業(yè)界亟待解決的新難題?！?a target="_blank">ADI中國區(qū)工業(yè)市場總監(jiān)蔡振宇對此表示。作為在半導體領(lǐng)域深耕數(shù)十年的全球領(lǐng)先高性能半導體企業(yè)，ADI具有20多年的ATE行業(yè)經(jīng)驗，擁有深厚的技術(shù)積累，推出的多款解決方案獲得業(yè)界廣泛歡迎。

半導體產(chǎn)業(yè)鏈“承上啟下”，自動化測試設(shè)備很關(guān)鍵

在半導體產(chǎn)業(yè)鏈中，一顆芯片的生命周期開始于對市場需求的分析，跟隨著產(chǎn)品的定義、設(shè)計和制造，封裝完成以后交付到終端消費者手中，在整個流程中需要經(jīng)過多次測試?！捌渲蠥TE測試屬于制造環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)從研發(fā)到量產(chǎn)至關(guān)重要的一環(huán)。越高端、功能越復雜的芯片對測試的依賴度越高，同時測試設(shè)備的各類先進功能對于5G、IoT和云計算等半導體廠商來說變得越來越重要?！辈陶裼顝娬{(diào)說。

依據(jù)半導體測試系統(tǒng)應(yīng)用劃分，ATE應(yīng)用的主要細分領(lǐng)域為存儲器、SoC、模擬、數(shù)字、分立器件和RF測試機等，無論哪種應(yīng)用，ATE通常都需要完成芯片的功能測試、直流參數(shù)測試以及交流功能測試等工作，其原理是通過對芯片施加輸入信號，采集被檢測芯片的輸出信號與預(yù)期值進行比較，判斷芯片在不同工作條件下功能和性能的有效性，保證在相應(yīng)的芯片制造中，產(chǎn)品符合客戶設(shè)計、制造要求以及市場需求。

ATE系統(tǒng)

由于測試方案的優(yōu)劣直接影響到良率和測試成本。有資料顯示，芯片缺陷相關(guān)故障對成本的影響從IC級別的數(shù)十美元，到模塊級別的數(shù)百美元，乃至應(yīng)用端級別的數(shù)千美元?！澳壳靶酒_發(fā)周期縮短，對于流片的成功率要求非常高，任何一次失敗，對企業(yè)而言都是無法承受的。因此，在芯片設(shè)計及開發(fā)過程中需要進行充分的驗證和測試。”蔡振宇指出。

從幾大關(guān)鍵測試維度入手，打造穩(wěn)定高效的ATE產(chǎn)品方案

隨著摩爾定律不斷發(fā)展，工藝和應(yīng)用的復雜度不斷提升，半導體產(chǎn)業(yè)如果要做出好的產(chǎn)品，需要進一步重視“測試先行”。半導體工藝仍然在不斷演進，制造工藝的精細和芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復雜度不斷提升，一片芯片上承載的功能越來越多，芯片上的晶體管集成度越來越高，產(chǎn)品迭代速度也越來越快，甚至很多像AI、GPU和AP這樣高復雜度芯片都要求進行逐年迭代，使得測試和驗證的復雜程度驟增，測試時間和成本也相應(yīng)增加不少。

“半導體測試機市場競爭的關(guān)鍵在于測試廣度、測試精度、測試速度，以及測試機的延展性上。測試機的測試覆蓋范圍越廣，能夠測試的項目越多，就越受客戶青睞。”蔡振宇指出。測試精度的重要指標包括測試電流、電壓、電容、時間量等參數(shù)的精度，先進設(shè)備一般能夠在電流測量上能達到皮安（pA）量級的精度，在電壓測量上達到微伏（μV）量級的精度，在電容測量上能達到0.01皮法（pF）量級的精度，在時間量測量上能達到百皮秒（pS）。測試機的延展性則主要體現(xiàn)在能否根據(jù)需要靈活地增加測試功能、通道和工位數(shù)。

面對這些挑戰(zhàn)，測試設(shè)備開發(fā)商亟需穩(wěn)定的ATE解決方案，還期待有著高質(zhì)量的測試覆蓋率，能夠支持更多通道，在單位時間內(nèi)測試盡可能多的單元。ADI推出了ATE ASSP（專用標準產(chǎn)品），涵蓋了先進的集成式引腳電子器件(PE)、器件電源(DPS)和參數(shù)測量單元 (PMU)等產(chǎn)品，以低功耗、高集成度等優(yōu)勢進一步幫助客戶提升ATE機臺的性能以及降低其成本。

引腳電子器件、器件電源和參數(shù)測量單元產(chǎn)品功能與性能定位

“針對通用的ATE應(yīng)用，信號鏈比較類似，我們已通過集成的方式將一些功能集中起來，從而降低客戶的設(shè)計難度，這是ADI做ASSP的一個主要原因。此外，ATE測試需要支持多通道，多通道并行測試時提高了測試的復雜度，需要更好性能芯片去滿足客戶測試機臺的需求。”蔡振宇這樣解釋ADI在ATE領(lǐng)域做ASSP方案的考量，“ADI的ASSP把很多功能集成到一個芯片里，能夠進一步幫客戶降低測試機臺的成本，提高測量密度。我們用到的多模封裝相較分立器件方案也可以進一步幫助客戶降低成本和功耗?！?/p>

ATE數(shù)字測量的信號鏈基本框圖

其中，PE用于產(chǎn)生激勵待測物的信號，以此獲取待測物的反饋，所以PE芯片要求具備更高的精度。同時，集成度也是對方案的關(guān)鍵要求，例如集成引腳電子/引腳驅(qū)動器以單封裝提供關(guān)鍵的測試應(yīng)用解決方案，包括數(shù)字驅(qū)動和比較功能、有源負載和每引腳參數(shù)測量單元，這些單元通過電平設(shè)置DAC進行控制?！搬槍鴥?nèi)的ATE市場應(yīng)用，ADATE318和ADATE320目前應(yīng)用較廣，數(shù)據(jù)速率可從600MHz到1.6GHz。其中，ADATE318比較適合數(shù)字芯片、存儲器、混合信號測試等，ADATE320的數(shù)據(jù)速率則會更高一些，更適合高速芯片的測試。”蔡振宇補充道。

ADATE3xx框圖及參數(shù)

針對更高速芯片的測量需求，ADATE334以雙通道單封裝提供關(guān)鍵的測試應(yīng)用，片內(nèi)集成校準寄存器的專用16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)可提供器件工作所需的所有直流電平，能夠在高精度和低功耗下支持高達2.3GHz~4.6Gbps?！拔磥鞟DI的PE芯片會朝著兩個方向繼續(xù)發(fā)展，即更高速率產(chǎn)品研發(fā)，以及更多通道密度集成產(chǎn)品?！辈陶裼蠲枥L了ADI PE的關(guān)鍵演進路線圖。

PMU和DPS產(chǎn)品則用于提供靈活的電壓和電流源/測量功能，以滿足各種成本敏感型測試應(yīng)用需求。其中PMU的作用是驅(qū)動電流進入器件而去量測電壓或者為器件加上電壓而去量測產(chǎn)生的電流，它的集成度、測量精度和通道數(shù)是通常評估的幾個重要維度。ADI的AD5522就是一款高性能、高集成度參數(shù)測量單元，包括四個獨立的通道。每個單引腳參數(shù)測量單元(PPMU)通道包括五個16位電壓輸出DAC，可設(shè)置驅(qū)動電壓輸入、箝位輸入和比較器輸入（高和低）的可編程輸入電平。

AD5522器件框圖

DPS用于為待測物提供可編程的電源，通常是大電流和高電壓，例如高性能、高集成度器件電源AD5560提供可編程的驅(qū)動電壓和測量范圍。該產(chǎn)品包括所需的DAC電平，用以設(shè)置驅(qū)動放大器的可編程輸入，還包括箝位和比較器電路、片內(nèi)集成用于DAC功能的失調(diào)和增益校正功能。

AD5560器件框圖

高功率DPS／SMU產(chǎn)品方案（±50V，5A；支持4象限V/I）

然而，很多時候確定性性能的單一方案很難滿足多樣性的市場需求，產(chǎn)品方案設(shè)計的拓展能力很重要，例如隨著越來越多的功率或者電源的芯片測試需求遠高于AD5560提供的25V電壓和1.2A電流的范圍，客戶可以將多顆AD5560通過GaN模式級聯(lián)以獲得更大的輸出電流。此外，ADI中國應(yīng)用開發(fā)團隊還基于AD5522拓展開發(fā)出了250W (±50V、5A)的高功率參考設(shè)計，很好地滿足了大功率應(yīng)用需求。“我們方案的拓展能力非常受客戶歡迎。”蔡振宇透露道。

本土ATE發(fā)展面臨提速機遇，ADI中國發(fā)力助客戶成長

中國半導體行業(yè)正迎來新一輪發(fā)展機遇，市場對半導體的需求非常強勁，從而帶動一波從設(shè)計到半導體制造封測投資熱潮。在當下國內(nèi)半導體產(chǎn)業(yè)鏈前端的制造、設(shè)計環(huán)節(jié)對國內(nèi)ATE需求將得到顯著提升，豐富的產(chǎn)業(yè)鏈客戶也有助于國內(nèi)ATE需求的穩(wěn)健攀升。市場調(diào)研機構(gòu)Gartner公司預(yù)測，到2025年中國芯片測試服務(wù)市場將達到550億元人民幣。

目前，國內(nèi)的測試設(shè)備廠商已經(jīng)在功率器件、模擬電路等特定領(lǐng)域測試機中占據(jù)一席之地，并正在朝速度更快，復雜度更高的測試機產(chǎn)品發(fā)力，相信在不久的將來，會有越來越多的國產(chǎn)測試機出現(xiàn)在芯片測試線上?！皣鴥?nèi)在模擬測試設(shè)備方面已有一定突破，面對日益擴大的中國半導體ATE市場，ADI愿意與本土的ATE廠商緊密合作，以本地決策和中國速度，響應(yīng)國內(nèi)半導體市場的創(chuàng)新需求，共同推動ATE產(chǎn)業(yè)的繁榮發(fā)展。”蔡振宇展望到。