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

5G、人工智能、新能源等新技術(shù)的成熟驅(qū)動(dòng)各行業(yè)加速數(shù)字化轉(zhuǎn)型落地，從而持續(xù)推動(dòng)全球半導(dǎo)體行業(yè)穩(wěn)步增長。根據(jù)IC Insights半導(dǎo)體行業(yè)報(bào)告，預(yù)計(jì)2022年全球半導(dǎo)體總銷售額將再增長11%，達(dá)到6806億美元的新紀(jì)錄。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)繁榮也讓半導(dǎo)體自動(dòng)測試設(shè)備（ATE）的市場規(guī)模隨之水漲船高，預(yù)計(jì)2028年將達(dá)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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵一環(huán)，ATE貫穿著半導(dǎo)體設(shè)計(jì)、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(dāng)今不斷變化的IC產(chǎn)業(yè)，ATE測試也面臨各種新的挑戰(zhàn)。“芯片已經(jīng)進(jìn)入3nm時(shí)代，一顆芯片上承載的功能也越來越多，芯片工藝越來越復(fù)雜，這不僅意味著測試的復(fù)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(dǎo)體測試需求成為了業(yè)界亟待解決的新難題。”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(dǎo)體領(lǐng)域深耕數(shù)十年的全球領(lǐng)先高性能半導(dǎo)體企業(yè)，ADI具有20多年的ATE行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，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(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈“承上啟下”，自動(dòng)化測試設(shè)備很關(guān)鍵

在半導(dǎo)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(jì)和制造，封裝完成以后交付到終端消費(fèi)者手中，在整個(gè)流程中需要經(jīng)過多次測試。“其中ATE測試屬于制造環(huán)節(jié)，是實(shí)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(fù)雜的芯片對測試的依賴度越高，同時(shí)測試設(shè)備的各類先進(jìn)功能對于5G、IoT和云計(jì)算等半導(dǎo)體廠商來說變得越來越重要。”蔡振宇強(qiáng)調(diào)說。

依據(jù)半導(dǎo)體測試系統(tǒng)應(yīng)用劃分，ATE應(yīng)用的主要細(xì)分領(lǐng)域?yàn)榇鎯ζ鳌oC、模擬、數(shù)字、分立器件和RF測試機(jī)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(jìn)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(jì)、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。“目前芯片開發(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(jì)及開發(fā)過程中需要進(jìn)行充分的驗(yàn)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(fù)雜度不斷提升，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)如果要做出好的產(chǎn)品，需要進(jìn)一步重視“測試先行”。半導(dǎo)體工藝仍然在不斷演進(jìn)，制造工藝的精細(xì)和芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)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(fù)雜度芯片都要求進(jìn)行逐年迭代，使得測試和驗(yàn)證的復(fù)雜程度驟增，測試時(shí)間和成本也相應(yīng)增加不少。

“半導(dǎo)體測試機(jī)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(jī)的延展性上。測試機(jī)的測試覆蓋范圍越廣，能夠測試的項(xiàng)目越多，就越受客戶青睞。”蔡振宇指出。測試精度的重要指標(biāo)包括測試電流、電壓、電容、時(shí)間量等參數(shù)的精度，先進(jìn)設(shè)備一般能夠在電流測量上能達(dá)到皮安（pA）量級的精度，在電壓測量上達(dá)到微伏（μV）量級的精度，在電容測量上能達(dá)到0.01皮法（pF）量級的精度，在時(shí)間量測量上能達(dá)到百皮秒（pS）。測試機(jī)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(shí)間內(nèi)測試盡可能多的單元。ADI推出了ATE ASSP（專用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品），涵蓋了先進(jìn)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(jìn)一步幫助客戶提升ATE機(jī)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(jì)難度，這是ADI做ASSP的一個(gè)主要原因。此外，ATE測試需要支持多通道，多通道并行測試時(shí)提高了測試的復(fù)雜度，需要更好性能芯片去滿足客戶測試機(jī)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(gè)芯片里，能夠進(jìn)一步幫客戶降低測試機(jī)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(jìn)一步幫助客戶降低成本和功耗。”

ATE數(shù)字測量的信號鏈基本框圖

其中，PE用于產(chǎn)生激勵(lì)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(shí)，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(dòng)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(dòng)和比較功能、有源負(fù)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(jìn)行控制。“針對國內(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(bǔ)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(zhǔn)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(dá)2.3GHz~4.6Gbps。“未來ADI的PE芯片會朝著兩個(gè)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。”蔡振宇描繪了ADI PE的關(guān)鍵演進(jìn)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(dòng)電流進(jìn)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(gè)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(gè)獨(dú)立的通道。每個(gè)單引腳參數(shù)測量單元(PPMU)通道包括五個(gè)16位電壓輸出DAC，可設(shè)置驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(jì)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(yuǎn)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(tuán)隊(duì)還基于AD5522拓展開發(fā)出了250W (±50V、5A)的高功率參考設(shè)計(jì)，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(jī)遇，ADI中國發(fā)力助客戶成長

中國半導(dǎo)體行業(yè)正迎來新一輪發(fā)展機(jī)遇，市場對半導(dǎo)體的需求非常強(qiáng)勁，從而帶動(dòng)一波從設(shè)計(jì)到半導(dǎo)體制造封測投資熱潮。在當(dāng)下國內(nèi)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈前端的制造、設(shè)計(jì)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(jī)構(gòu)Gartner公司預(yù)測，到2025年中國芯片測試服務(wù)市場將達(dá)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(jī)中占據(jù)一席之地，并正在朝速度更快，復(fù)雜度更高的測試機(jī)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(jī)出現(xiàn)在芯片測試線上。“國內(nèi)在模擬測試設(shè)備方面已有一定突破，面對日益擴(kuò)大的中國半導(dǎo)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(dǎo)體市場的創(chuàng)新需求，共同推動(dòng)ATE產(chǎn)業(yè)的繁榮發(fā)展。”蔡振宇展望到。