芯片ATE測試綜述

一、引言

ATE（Automatic Test Equipment），即自動測試設(shè)備，在電子元器件、尤其是半導(dǎo)體芯片的生產(chǎn)制造流程中扮演著不可或缺的關(guān)鍵角色。隨著現(xiàn)代芯片集成度的不斷提高以及功能的日益復(fù)雜化，對芯片測試的要求也水漲船高，ATE憑借其高效的自動化測試能力，不僅大幅提升了測試效率，更在確保產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本以及縮短研發(fā)周期等方面發(fā)揮了極為重要的作用，已經(jīng)成為半導(dǎo)體制造行業(yè)不可或缺的核心設(shè)備之一。

二、ATE的基本概念

ATE是一種由高性能計算機控制的測試儀器的集合體，由測試儀和計算機組合而成，計算機通過運行測試程序的指令來控制測試硬件。其最基本的要求是可以快速且可靠地重復(fù)一致的測試結(jié)果，即具備速度、可靠性和穩(wěn)定性。為保持正確性和一致性，ATE測試設(shè)備需要進行定期校準(zhǔn)，以保證信號源和測量單元的精度。通過計算機編程取代人工勞動，自動化地完成測試序列，ATE的應(yīng)用貫穿集成電路整個產(chǎn)業(yè)鏈，包括芯片的設(shè)計驗證、晶圓制造相關(guān)的測試以及封裝完成后的成品測試等多個環(huán)節(jié)。

三、ATE機臺的內(nèi)部資源

ATE機臺內(nèi)部通常包含以下四種類型的資源。

電源板卡：主要為待測芯片（DUT）供電，同時可針對某個電源域進行 Power Short 測試、漏電流測試等，對于大功耗芯片測試，其性能對測試質(zhì)量和良率至關(guān)重要；在應(yīng)對復(fù)雜的供電問題時，還可采用模塊化的供電策略，將電源拆解成多個小的電源模塊任意組合給芯片不同電源域供電，并利用冗余電源模塊降低供電壓力。

數(shù)字板卡：用于實現(xiàn)芯片數(shù)字電路部分的測試，涵蓋 DC 參數(shù)測試和基于 DFT 的功能測試等，其內(nèi)部的數(shù)字 I/O 通道承擔(dān)相對復(fù)雜的工作，能抓取功能測試向量詳細(xì)的失效位置。

模擬板卡：負(fù)責(zé)實現(xiàn)芯片模擬電路部分的測試，包括模擬參數(shù)測試，例如上升時間、延遲時間、電壓過沖等。

支持板卡：包含電源轉(zhuǎn)換電路以及內(nèi)部校準(zhǔn)使用的電路等，主要為其他類型的板卡供電并支持其實現(xiàn)內(nèi)部校準(zhǔn)功能。

其中，數(shù)字板卡和電源板卡是 ATE 機臺使用最多的兩種資源。

四、ATE機臺分類

目前，ATE 機臺主要分為以下四大類：數(shù)字電路測試系統(tǒng)、模擬電路測試系統(tǒng)、存儲器測試系統(tǒng)、混合信號電路測試系統(tǒng)。

數(shù)字電路測試系統(tǒng)：專門用于測試數(shù)字邏輯芯片，如 CPU、GPU、AI 芯片等，代表機臺有 93K/Ultra-FLEX 等。

模擬電路測試系統(tǒng)：主要用于測試模擬芯片，比如電源管理芯片和信號鏈芯片等，代表機臺有 ETS364/ETS88 等。

存儲器測試系統(tǒng)：針對存儲器芯片進行測試，像 DRAM、SRAM、NOR Flash 和 NAND Flash 芯片等，代表機臺是 T2000/T58xx 等。

混合信號電路測試系統(tǒng)：適用于測試混合信號芯片，例如 MCU 芯片、ADC 和 DAC 等信號轉(zhuǎn)換芯片，代表機臺包括 J750/I-FLEX/S200 等。

五、ATE 機臺的配套軟件

以全球前兩大 ATE 供應(yīng)商的主流機臺為例。

J750 系列：是全球裝機量最多的 ATE 機臺，主要應(yīng)用于混合信號芯片以及低頻數(shù)字邏輯芯片的測試。其配套軟件叫 IG-XL，基于微軟 Excel 框架開發(fā)，運行在 Windows 環(huán)境下，使用 Excel VBA 作為編程語言。該軟件優(yōu)點是容易上手，適合編程小白學(xué)習(xí)；缺點是穩(wěn)定性差，工程師調(diào)試過程中 Excel 軟件易崩，導(dǎo)致程序卡死。

Ultra-FLEX 機臺：泰瑞達面向高端芯片量產(chǎn)測試的解決方案，全球裝機量超 2000 臺，蘋果公司是其最大客戶，iPhone 手機 CPU 芯片基本都在 Ultraflex 上測試。其配套軟件同樣是 IG-XL，與 J750 版本在庫函數(shù)和測試模板上區(qū)別較大，Ultraflex 對應(yīng)的 IG-XL 軟件功能更強大。

93K 機臺：全球裝機量最多的高端 ATE 機臺，主要用于數(shù)字邏輯芯片的測試。其配套軟件叫 Smartest，運行在 Linux 操作系統(tǒng)下，使用 C/C++作為編程語言。Smartest 軟件穩(wěn)定性好，流程圖樣式測試 flow 清晰，但上手較難，學(xué)習(xí)成本高。

六、ATE 機臺供應(yīng)商

全球 ATE 市場格局中，美國的泰瑞達和日本的愛德萬占據(jù)主導(dǎo)地位，這兩家企業(yè)全球市場占有率相加超過 80%，在高端芯片領(lǐng)域更是超過 90%，形成主導(dǎo)態(tài)勢。而在國內(nèi)，主要的 ATE 廠商有華峰測控、長川科技、興森科技以及勝達克等。這些國內(nèi)企業(yè)經(jīng)過多年研發(fā)和積累，已在中低端 ATE 機臺領(lǐng)域取得一定突破，國內(nèi)市場占有率逐漸接近 20%。

華峰測控：主力產(chǎn)品 STS 系列對標(biāo)泰瑞達的 ETS 系列，主要用于電源管理芯片、模擬開關(guān)等信號鏈類模擬芯片的測試，預(yù)計 2024 年將擁有年產(chǎn) 200 臺 SOC 測試機的能力。

長川科技：主力產(chǎn)品 CTT 系列也對標(biāo)泰瑞達的 ETS 系列，CTT 系列歷經(jīng)多代發(fā)展，可實現(xiàn)不同工位測試；其數(shù)字測試機 D9000 已研發(fā)成功并等待批量出貨。

聯(lián)動科技：主力產(chǎn)品豐富，涵蓋 QT9000、QT8000、QT7000 系列針對不同類型的芯片，QT6000 和 QT4000 系列針對半導(dǎo)體分立器件，是國內(nèi) ATE 機臺廠商中產(chǎn)品線最全的，提供從高端到中低端的全套解決方案。

勝達克：主力產(chǎn)品 S200 系列對標(biāo)泰瑞達的 J750 系列，用于測試混合信號芯片或低端處理器芯片；SR20 系列則針對射頻芯片，能測試從直流到 87GHz 射頻信號，包括不同應(yīng)用如 LTE、WiFi、藍(lán)牙到毫米波雷達等。

七、ATE 在半導(dǎo)體測試中的重要性

半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中，ATE 是檢測設(shè)備中最重要的設(shè)備類型，價值量占比約 63%。其重要性主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

確保產(chǎn)品質(zhì)量：半導(dǎo)體制造流程復(fù)雜，從 bare wafer 開始，要經(jīng)過幾百道工序，每一步產(chǎn)生的缺陷都可能向下傳遞、累積。ATE 能確保生產(chǎn)環(huán)節(jié)中制造出來的產(chǎn)品滿足客戶質(zhì)量要求，避免有缺陷的產(chǎn)品進入下一步封測，從而提高整體產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性。

產(chǎn)品分級：以 CPU 廠商為例，可根據(jù) ATE 的測試結(jié)果對產(chǎn)品進行分類分級，實現(xiàn)不同性能和用途的芯片區(qū)分，滿足不同客戶和應(yīng)用場景對芯片性能的需求。

八、ATE 測試類型

（一）CP 測試（Circuit Probing / Chip Probing）

測試對象：整片 wafer 的每一個 Die。

測試目的 ：確保每個 Die 符合器件特征或設(shè)計規(guī)格書，包括電壓、電流、時序和功能驗證；檢測 fab 廠制造工藝水平；篩選不良 DIE，減少封裝和測試成本，優(yōu)化生產(chǎn)流程，提高良品率。

測試設(shè)備 ：使用探針臺和探針卡等設(shè)備，通過探針將裸露的芯片管腳與測試機相連進行測試。

測試內(nèi)容 ：主要對 Die 進行基本電性能參數(shù)測試，如接觸測試、漏電流測試、轉(zhuǎn)換電平測試、輸出電平測試、電源消耗測試等直流參數(shù)測試，以及上升和下降時間、傳輸延遲、建立和保持時間以及存儲時間等交流參數(shù)測試。

輸出結(jié)果 ：生成測試數(shù)據(jù)（datalog）和晶圓圖（Wafer Map，簡稱 MAP）。測試數(shù)據(jù)包含每個 die 的位置信息、測試項、測試結(jié)果及分 BIN 信息等；晶圓圖直觀展示整片晶圓的良率情況，包括分 BIN 顯示、Hard Bin、Soft Bin 等信息，為封裝環(huán)節(jié)提供依據(jù)。

（二）FT 測試（Final Test）

測試對象：封裝后的芯片。

測試目的 ：作為芯片出廠前的最后一道攔截，確保芯片在最終封裝形態(tài)下的功能和性能符合設(shè)計規(guī)范。

測試內(nèi)容 ：包括功能測試（檢查芯片基本功能是否正常）、電參數(shù)性能測試（如電壓、電流、頻率等是否符合規(guī)格）以及其他性能測試。

測試設(shè)備：通常使用自動測試設(shè)備（ATE）和分選機（Handler）等設(shè)備。ATE 負(fù)責(zé)生成測試信號并評估芯片響應(yīng)，Handler 負(fù)責(zé)芯片自動搬運和分選。

測試結(jié)果及重要性 ：測試結(jié)果決定芯片最終質(zhì)量等級，用于良品和不良品分類，確保只有高質(zhì)量產(chǎn)品交付給客戶，避免因不合格產(chǎn)品導(dǎo)致的經(jīng)濟損失和品牌聲譽損害。

（三）BI 測試（Burn-in）

測試對象 ：封裝好的芯片。

測試目的 ：通過在高溫、高電壓等嚴(yán)苛條件下運行芯片，加速暴露潛在制造缺陷或早期失效，篩選出早期失效芯片，提高產(chǎn)品在實際應(yīng)用中的可靠性和壽命。

測試環(huán)境 ：在特殊的高溫測試室或燒錄箱中進行，提供所需的高溫條件。

測試時間 ：可持續(xù)幾個小時到幾天不等，具體取決于芯片類型和可靠性要求。

測試過程 ：芯片在高溫、高電壓下運行，同時自動監(jiān)測其性能和功能，實時檢測異常或失效情況。

九、ATE 測試流程

（一）前端流程

晶圓制造：從 bare wafer 開始，經(jīng)過幾百道工序，如 Photo、Etch、CVD、IMP、DIFF、Metal、CMP、Clean 等，制造出包含大量芯片的晶圓。

（二）ATE 測試階段

CP 測試 ：對整片 wafer 的每一個 Die 進行測試，篩選出不良 DIE，為后續(xù)封裝提供依據(jù)。

FT 測試 ：對封裝后的芯片進行最終的功能和性能測試，確保產(chǎn)品質(zhì)量符合客戶要求。

（三）后端封裝測試流程

測試準(zhǔn)備：根據(jù)芯片類型和測試要求，準(zhǔn)備相應(yīng)的測試設(shè)備（如 ATE 測試機、分選機、探針臺等）、測試程序和測試夾具。

測試執(zhí)行：將芯片放置在測試設(shè)備上，按照測試程序進行各項測試，包括功能測試、參數(shù)測試等，記錄測試數(shù)據(jù)。

結(jié)果分析與判定 ：根據(jù)測試數(shù)據(jù)與預(yù)期結(jié)果的比較，判定芯片是否合格，對不合格品進行分析，確定失效原因。

分類與標(biāo)記：按照測試結(jié)果對芯片進行分類和標(biāo)記，如分為良品、不良品等不同等級，為后續(xù)的處理提供依據(jù)。

數(shù)據(jù)記錄與反饋 ：將測試數(shù)據(jù)進行整理和記錄，形成測試報告，反饋給生產(chǎn)部門和設(shè)計部門，用于優(yōu)化生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品設(shè)計。

十、ATE的發(fā)展與未來趨勢

隨著芯片技術(shù)的不斷進步，ATE 也在持續(xù)發(fā)展和演變。未來，ATE 將面臨更高的性能要求、更復(fù)雜的測試挑戰(zhàn)以及更激烈的市場競爭。一方面，芯片的集成度和復(fù)雜度不斷提高，對 ATE 的測試精度、速度和功能都提出了更高要求；另一方面，新興技術(shù)如人工智能（AI）、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等的發(fā)展，將為 ATE 市場帶來新的機遇和增長點。例如，在 AI 芯片測試領(lǐng)域，需要 ATE 能夠處理大規(guī)模的并行計算和復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法測試；在 IoT 領(lǐng)域，需要 ATE 支持多種低功耗、小尺寸芯片的測試，并滿足快速迭代的市場需求。

同時，國內(nèi) ATE 企業(yè)也在不斷加大研發(fā)投入，努力提升技術(shù)水平和產(chǎn)品性能，逐步縮小與國際領(lǐng)先企業(yè)的差距。未來，國內(nèi) ATE 有望在高端市場取得更多突破，提高國內(nèi)市場占有率，為我國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的自主可控發(fā)展提供有力支撐。

十一、總結(jié)

綜上所述，ATE 作為半導(dǎo)體測試領(lǐng)域的核心設(shè)備，憑借其高效的自動化測試能力，在確保產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本以及推動半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。從其內(nèi)部復(fù)雜多樣的資源構(gòu)成，到不同類型的機臺分類；從國際巨頭的市場主導(dǎo)，到國內(nèi)企業(yè)的奮起直追；從配套軟件的特色優(yōu)勢與不足，到整個行業(yè)在半導(dǎo)體測試環(huán)節(jié)中的關(guān)鍵地位，ATE 的每一個方面都值得我們深入研究和探討。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷演進，ATE 也將持續(xù)面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)，其未來的發(fā)展值得我們持續(xù)關(guān)注。

參考鏈接目錄

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%87%AA%E5%8A%A8%E6%B5%8B%E8%AF%95%E8%AE%BE%E5%A4%87

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http://www.ictest8.com/a/Principle/2024/09/ATE2.html