【導讀】5G、人工智能、新能源等新技術的成熟驅動各行業加速數字化轉型落地，從而持續推動全球半導體行業穩步增長。根據IC Insights半導體行業報告，預計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。半導體產業的持續繁榮也讓半導體自動測試設備（ATE）的市場規模隨之水漲船高，預計2028年將達到72億美元。
ADI中國區工業市場總監蔡振宇
作為半導體產業的關鍵一環，ATE貫穿著半導體設計、制造和封裝全環節，對產品良率的監控及產品質量的判斷至關重要。然而面對當今不斷變化的IC產業，ATE測試也面臨各種新的挑戰。“芯片已經進入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，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界亟待解決的新難題。”ADI中國區工業市場總監蔡振宇對此表示。作為在半導體領域深耕數十年的全球領先高性能半導體企業，ADI具有20多年的ATE行業經驗，擁有深厚的技術積累，推出的多款解決方案獲得業界廣泛歡迎。
半導體產業鏈“承上啟下”，自動化測試設備很關鍵
在半導體產業鏈中，一顆芯片的生命周期開始于對市場需求的分析，跟隨著產品的定義、設計和制造，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過多次測試。“其中ATE測試屬于制造環節，是實現從研發到量產至關重要的一環。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。”蔡振宇強調說。
依據半導體測試系統應用劃分，ATE應用的主要細分領域為存儲器、SoC、模擬、數字、分立器件和RF測試機等，無論哪種應用，ATE通常都需要完成芯片的功能測試、直流參數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，保證在相應的芯片制造中，產品符合客戶設計、制造要求以及市場需求。
ATE系統
由于測試方案的優劣直接影響到良率和測試成本。有資料顯示，芯片缺陷相關故障對成本的影響從IC級別的數十美元，到模塊級別的數百美元，乃至應用端級別的數千美元。“目前芯片開發周期縮短，對于流片的成功率要求非常高，任何一次失敗，對企業而言都是無法承受的。因此，在芯片設計及開發過程中需要進行充分的驗證和測試。”蔡振宇指出。
從幾大關鍵測試維度入手，打造穩定高效的ATE產品方案
隨著摩爾定律不斷發展，工藝和應用的復雜度不斷提升，半導體產業如果要做出好的產品，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部結構的復雜度不斷提升，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增加不少。
“半導體測試機市場競爭的關鍵在于測試廣度、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、時間量等參數的精度，先進設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在能否根據需要靈活地增加測試功能、通道和工位數。
面對這些挑戰，測試設備開發商亟需穩定的ATE解決方案，還期待有著高質量的測試覆蓋率，能夠支持更多通道，在單位時間內測試盡可能多的單元。ADI推出了ATE ASSP（專用標準產品），涵蓋了先進的集成式引腳電子器件(PE)、器件電源(DPS)和參數測量單元 (PMU)等產品，以低功耗、高集成度等優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、器件電源和參數測量單元產品功能與性能定位
“針對通用的ATE應用，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。”
ATE數字測量的信號鏈基本框圖
其中，PE用于產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鍵要求，例如集成引腳電子/引腳驅動器以單封裝提供關鍵的測試應用解決方案，包括數字驅動和比較功能、有源負載和每引腳參數測量單元，這些單元通過電平設置DAC進行控制。“針對國內的ATE市場應用，ADATE318和ADATE320目前應用較廣，數據速率可從600MHz到1.6GHz。其中，ADATE318比較適合數字芯片、存儲器、混合信號測試等，ADATE320的數據速率則會更高一些，更適合高速芯片的測試。”蔡振宇補充道。
ADATE3xx框圖及參數
針對更高速芯片的測量需求，ADATE334以雙通道單封裝提供關鍵的測試應用，片內集成校準寄存器的專用16位數模轉換器(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。“未來ADI的PE芯片會朝著兩個方向繼續發展，即更高速率產品研發，以及更多通道密度集成產品。”蔡振宇描繪了ADI PE的關鍵演進路線圖。
PMU和DPS產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用需求。其中PMU的作用是驅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生的電流，它的集成度、測量精度和通道數是通常評估的幾個重要維度。ADI的AD5522就是一款高性能、高集成度參數測量單元，包括四個獨立的通道。每個單引腳參數測量單元(PPMU)通道包括五個16位電壓輸出DAC，可設置驅動電壓輸入、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提供可編程的驅動電壓和測量范圍。該產品包括所需的DAC電平，用以設置驅動放大器的可編程輸入，還包括箝位和比較器電路、片內集成用于DAC功能的失調和增益校正功能。
AD5560器件框圖
高功率DPS／SMU產品方案（±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，產品方案設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模式級聯以獲得更大的輸出電流。此外，ADI中國應用開發團隊還基于AD5522拓展開發出了250W (±50V、5A)的高功率參考設計，很好地滿足了大功率應用需求。“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發展面臨提速機遇，ADI中國發力助客戶成長
中國半導體行業正迎來新一輪發展機遇，市場對半導體的需求非常強勁，從而帶動一波從設計到半導體制造封測投資熱潮。在當下國內半導體產業鏈前端的制造、設計環節對國內ATE需求將得到顯著提升，豐富的產業鏈客戶也有助于國內ATE需求的穩健攀升。市場調研機構Gartner公司預測，到2025年中國芯片測試服務市場將達到550億元人民幣。
目前，國內的測試設備廠商已經在功率器件、模擬電路等特定領域測試機中占據一席之地，并正在朝速度更快，復雜度更高的測試機產品發力，相信在不久的將來，會有越來越多的國產測試機出現在芯片測試線上。“國內在模擬測試設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，響應國內半導體市場的創新需求，共同推動ATE產業的繁榮發展。”蔡振宇展望到。
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