 一、引言ATE（Automatic Test Equipment），即自动测试设备，在电子元器件、尤其是半导体芯片的生产制造流程中扮演着不可或缺的关键角色。随着现代芯片集成度的不断提高以及功能的日益复杂化，对芯片测试的要求也水涨船高，ATE凭借其高效的自动化测试能力，不仅大幅提升了测试效率，更在确保产品质量、降低生产成本以及缩短研发周期等方面发挥了极为重要的作用，已经成为半导体制造行业不可或缺的核心设备之一。  二、ATE的基本概念 ATE是一种由高性能计算机控制的测试仪器的集合体，由测试仪和计算机组合而成，计算机通过运行测试程序的指令来控制测试硬件。其最基本的要求是可以快速且可靠地重复一致的测试结果，即具备速度、可靠性和稳定性。为保持正确性和一致性，ATE测试设备需要进行定期校准，以保证信号源和测量单元的精度。通过计算机编程取代人工劳动，自动化地完成测试序列，ATE的应用贯穿集成电路整个产业链，包括芯片的设计验证、晶圆制造相关的测试以及封装完成后的成品测试等多个环节。  三、ATE机台的内部资源 ATE机台内部通常包含以下四种类型的资源。 电源板卡：主要为待测芯片（DUT）供电，同时可针对某个电源域进行 Power Short 测试、漏电流测试等，对于大功耗芯片测试，其性能对测试质量和良率至关重要；在应对复杂的供电问题时，还可采用模块化的供电策略，将电源拆解成多个小的电源模块任意组合给芯片不同电源域供电，并利用冗余电源模块降低供电压力。 数字板卡：用于实现芯片数字电路部分的测试，涵盖 DC 参数测试和基于 DFT 的功能测试等，其内部的数字 I/O 通道承担相对复杂的工作，能抓取功能测试向量详细的失效位置。 模拟板卡：负责实现芯片模拟电路部分的测试，包括模拟参数测试，例如上升时间、延迟时间、电压过冲等。 支持板卡：包含电源转换电路以及内部校准使用的电路等，主要为其他类型的板卡供电并支持其实现内部校准功能。 其中，数字板卡和电源板卡是 ATE 机台使用最多的两种资源。 四、ATE机台分类 目前，ATE 机台主要分为以下四大类：数字电路测试系统、模拟电路测试系统、存储器测试系统、混合信号电路测试系统。 数字电路测试系统：专门用于测试数字逻辑芯片，如 CPU、GPU、AI 芯片等，代表机台有 93K/Ultra-FLEX 等。 模拟电路测试系统：主要用于测试模拟芯片，比如电源管理芯片和信号链芯片等，代表机台有 ETS364/ETS88 等。 存储器测试系统：针对存储器芯片进行测试，像 DRAM、SRAM、NOR Flash 和 NAND Flash 芯片等，代表机台是 T2000/T58xx 等。 混合信号电路测试系统：适用于测试混合信号芯片，例如 MCU 芯片、ADC 和 DAC 等信号转换芯片，代表机台包括 J750/I-FLEX/S200 等。  五、ATE 机台的配套软件 以全球前两大 ATE 供应商的主流机台为例。 J750 系列：是全球装机量最多的 ATE 机台，主要应用于混合信号芯片以及低频数字逻辑芯片的测试。其配套软件叫 IG-XL，基于微软 Excel 框架开发，运行在 Windows 环境下，使用 Excel VBA 作为编程语言。该软件优点是容易上手，适合编程小白学习；缺点是稳定性差，工程师调试过程中 Excel 软件易崩，导致程序卡死。 Ultra-FLEX 机台：泰瑞达面向高端芯片量产测试的解决方案，全球装机量超 2000 台，苹果公司是其最大客户，iPhone 手机 CPU 芯片基本都在 Ultraflex 上测试。其配套软件同样是 IG-XL，与 J750 版本在库函数和测试模板上区别较大，Ultraflex 对应的 IG-XL 软件功能更强大。 93K 机台：全球装机量最多的高端 ATE 机台，主要用于数字逻辑芯片的测试。其配套软件叫 Smartest，运行在 Linux 操作系统下，使用 C/C++作为编程语言。Smartest 软件稳定性好，流程图样式测试 flow 清晰，但上手较难，学习成本高。  六、ATE 机台供应商 全球 ATE 市场格局中，美国的泰瑞达和日本的爱德万占据主导地位，这两家企业全球市场占有率相加超过 80%，在高端芯片领域更是超过 90%，形成主导态势。而在国内，主要的 ATE 厂商有华峰测控、长川科技、兴森科技以及胜达克等。这些国内企业经过多年研发和积累，已在中低端 ATE 机台领域取得一定突破，国内市场占有率逐渐接近 20%。 华峰测控：主力产品 STS 系列对标泰瑞达的 ETS 系列，主要用于电源管理芯片、模拟开关等信号链类模拟芯片的测试，预计 2024 年将拥有年产 200 台 SOC 测试机的能力。 长川科技：主力产品 CTT 系列也对标泰瑞达的 ETS 系列，CTT 系列历经多代发展，可实现不同工位测试；其数字测试机 D9000 已研发成功并等待批量出货。 联动科技：主力产品丰富，涵盖 QT9000、QT8000、QT7000 系列针对不同类型的芯片，QT6000 和 QT4000 系列针对半导体分立器件，是国内 ATE 机台厂商中产品线最全的，提供从高端到中低端的全套解决方案。 胜达克：主力产品 S200 系列对标泰瑞达的 J750 系列，用于测试混合信号芯片或低端处理器芯片；SR20 系列则针对射频芯片，能测试从直流到 87GHz 射频信号，包括不同应用如 LTE、WiFi、蓝牙到毫米波雷达等。  七、ATE 在半导体测试中的重要性 半导体生产过程中，ATE 是检测设备中最重要的设备类型，价值量占比约 63%。其重要性主要体现在以下几个方面。 确保产品质量：半导体制造流程复杂，从 bare wafer 开始，要经过几百道工序，每一步产生的缺陷都可能向下传递、累积。ATE 能确保生产环节中制造出来的产品满足客户质量要求，避免有缺陷的产品进入下一步封测，从而提高整体产品质量和可靠性。 产品分级：以 CPU 厂商为例，可根据 ATE 的测试结果对产品进行分类分级，实现不同性能和用途的芯片区分，满足不同客户和应用场景对芯片性能的需求。  八、ATE 测试类型 （一）CP 测试（Circuit Probing / Chip Probing）  测试对象：整片 wafer 的每一个 Die。 测试目的 ：确保每个 Die 符合器件特征或设计规格书，包括电压、电流、时序和功能验证；检测 fab 厂制造工艺水平；筛选不良 DIE，减少封装和测试成本，优化生产流程，提高良品率。 测试设备 ：使用探针台和探针卡等设备，通过探针将裸露的芯片管脚与测试机相连进行测试。 测试内容 ：主要对 Die 进行基本电性能参数测试，如接触测试、漏电流测试、转换电平测试、输出电平测试、电源消耗测试等直流参数测试，以及上升和下降时间、传输延迟、建立和保持时间以及存储时间等交流参数测试。 输出结果 ：生成测试数据（datalog）和晶圆图（Wafer Map，简称 MAP）。测试数据包含每个 die 的位置信息、测试项、测试结果及分 BIN 信息等；晶圆图直观展示整片晶圆的良率情况，包括分 BIN 显示、Hard Bin、Soft Bin 等信息，为封装环节提供依据。  （二）FT 测试（Final Test） 测试对象：封装后的芯片。 测试目的 ：作为芯片出厂前的最后一道拦截，确保芯片在最终封装形态下的功能和性能符合设计规范。 测试内容 ：包括功能测试（检查芯片基本功能是否正常）、电参数性能测试（如电压、电流、频率等是否符合规格）以及其他性能测试。 测试设备：通常使用自动测试设备（ATE）和分选机（Handler）等设备。ATE 负责生成测试信号并评估芯片响应，Handler 负责芯片自动搬运和分选。 测试结果及重要性 ：测试结果决定芯片最终质量等级，用于良品和不良品分类，确保只有高质量产品交付给客户，避免因不合格产品导致的经济损失和品牌声誉损害。 （三）BI 测试（Burn-in） 测试对象 ：封装好的芯片。 测试目的 ：通过在高温、高电压等严苛条件下运行芯片，加速暴露潜在制造缺陷或早期失效，筛选出早期失效芯片，提高产品在实际应用中的可靠性和寿命。 测试环境 ：在特殊的高温测试室或烧录箱中进行，提供所需的高温条件。 测试时间 ：可持续几个小时到几天不等，具体取决于芯片类型和可靠性要求。 测试过程 ：芯片在高温、高电压下运行，同时自动监测其性能和功能，实时检测异常或失效情况。 九、ATE 测试流程 （一）前端流程 晶圆制造：从 bare wafer 开始，经过几百道工序，如 Photo、Etch、CVD、IMP、DIFF、Metal、CMP、Clean 等，制造出包含大量芯片的晶圆。 （二）ATE 测试阶段 CP 测试 ：对整片 wafer 的每一个 Die 进行测试，筛选出不良 DIE，为后续封装提供依据。 FT 测试 ：对封装后的芯片进行最终的功能和性能测试，确保产品质量符合客户要求。 （三）后端封装测试流程 测试准备：根据芯片类型和测试要求，准备相应的测试设备（如 ATE 测试机、分选机、探针台等）、测试程序和测试夹具。 测试执行：将芯片放置在测试设备上，按照测试程序进行各项测试，包括功能测试、参数测试等，记录测试数据。 结果分析与判定 ：根据测试数据与预期结果的比较，判定芯片是否合格，对不合格品进行分析，确定失效原因。 分类与标记：按照测试结果对芯片进行分类和标记，如分为良品、不良品等不同等级，为后续的处理提供依据。 数据记录与反馈 ：将测试数据进行整理和记录，形成测试报告，反馈给生产部门和设计部门，用于优化生产工艺和产品设计。 十、ATE 的发展与未来趋势 随着芯片技术的不断进步，ATE 也在持续发展和演变。未来，ATE 将面临更高的性能要求、更复杂的测试挑战以及更激烈的市场竞争。一方面，芯片的集成度和复杂度不断提高，对 ATE 的测试精度、速度和功能都提出了更高要求；另一方面，新兴技术如人工智能（AI）、物联网（IoT）等的发展，将为 ATE 市场带来新的机遇和增长点。例如，在 AI 芯片测试领域，需要 ATE 能够处理大规模的并行计算和复杂的神经网络算法测试；在 IoT 领域，需要 ATE 支持多种低功耗、小尺寸芯片的测试，并满足快速迭代的市场需求。 同时，国内 ATE 企业也在不断加大研发投入，努力提升技术水平和产品性能，逐步缩小与国际领先企业的差距。未来，国内 ATE 有望在高端市场取得更多突破，提高国内市场占有率，为我国半导体产业的自主可控发展提供有力支撑。 十一、总结 综上所述，ATE 作为半导体测试领域的核心设备，凭借其高效的自动化测试能力，在确保产品质量、降低生产成本以及推动半导体产业发展等方面发挥着至关重要的作用。从其内部复杂多样的资源构成，到不同类型的机台分类；从国际巨头的市场主导，到国内企业的奋起直追；从配套软件的特色优势与不足，到整个行业在半导体测试环节中的关键地位，ATE 的每一个方面都值得我们深入研究和探讨。随着半导体技术的不断演进，ATE 也将持续面临着新的机遇与挑战，其未来的发展值得我们持续关注。 |
