驅(qū)動半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的動力是什么？是人們對自然學(xué)習(xí)語言、人工智能、自動駕駛、視頻監(jiān)控、增強/虛擬現(xiàn)實、5G通信、個人醫(yī)療、可再生能源以及智能電網(wǎng)的需求。表面上看，這些需求五花八門，但透過現(xiàn)象看本質(zhì)后，我們可以驚奇地發(fā)現(xiàn)他們存在許多共同點，比如數(shù)以億計的計算能力、無線網(wǎng)絡(luò)的擴展能力、高效的能源管理能力，以及多維感知的能力。而實現(xiàn)這些系統(tǒng)級能力的基礎(chǔ)是關(guān)鍵器件的性能升級，比如處理器的堆核升頻，網(wǎng)絡(luò)的異質(zhì)互聯(lián)，以及感知層的提精降耗等等。
后摩爾時代，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)面臨變革
根據(jù)Omdia發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，目前半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)內(nèi)增長最快速的三個應(yīng)用領(lǐng)域分別為汽車處理、數(shù)據(jù)中心服務(wù)器處理和高級移動半導(dǎo)體領(lǐng)域，預(yù)計未來5年的增長率分別為16%、12%和7%。受高速、高算力和高帶寬需求的影響，這些應(yīng)用領(lǐng)域的處理器工藝制程已經(jīng)邁向新節(jié)點，達到了市場上最先進的5-7nm級別，預(yù)計到本世紀末將達到1nm的范疇。
圖 | Fab 數(shù)字制程節(jié)點快逼近1nm
工藝節(jié)點的提高不僅意味著產(chǎn)品面世周期的延長，成本的指數(shù)型增長，還面臨隨著單芯片集成度不斷提高、算力越來越密集、晶圓面積不斷增大后，良率和產(chǎn)量開始走下坡的挑戰(zhàn)。有數(shù)據(jù)表明，當單芯片晶圓面積只有10 mm2時，良率可達70%以上，而當單芯片晶圓面積增長到360 mm2時，良率已經(jīng)降至15%左右。
所以業(yè)界開始尋求降本增產(chǎn)，加速產(chǎn)品上市的方法。而以chiplet構(gòu)成的系統(tǒng)可以說是一個“超級”異構(gòu)系統(tǒng)，給傳統(tǒng)的異構(gòu)SoC增加了新的維度。業(yè)內(nèi)專家稱，采用經(jīng)過充分測試和驗證的chiplet可以大大縮短產(chǎn)品的上市時間，降低芯片的研發(fā)成本。這樣做的好處是可以根據(jù)需要利用不同的制程節(jié)點來優(yōu)化目標設(shè)計。根據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，單芯片面積同為360 mm2時，采用4顆小芯片的方案良率可從上述的15%提升至37%左右。
圖 | 與單片芯片相比，晶粒chiplet技術(shù)可實現(xiàn)更高的產(chǎn)量
不過有一點是無論如何都避免不了的，那就是先進工藝節(jié)點下多樣的低核心電壓，以及功能堆疊下的峰值電流的增加，因此從處理器到應(yīng)用系統(tǒng)，所需的電源管理系統(tǒng)也變得愈加復(fù)雜。總結(jié)下來就是，更強大的數(shù)據(jù)處理能力將拉動更高復(fù)雜性、更高性能的電源管理市場的發(fā)展。
談到電源管理，我們不得不說一說當前火熱的汽車電子市場。隨著汽車智能網(wǎng)聯(lián)、電動化趨勢的不斷發(fā)展，汽車電子成本占比將達到整車成本的50%，包括AI芯片、MCU、傳感器、通信模塊、電池管理、DC/DC電壓轉(zhuǎn)換器、牽引電機逆變器、車載充電器，以及其他系統(tǒng)的電氣化設(shè)備等，同時需求總量正呈現(xiàn)指數(shù)型攀升趨勢。
此外，隨著汽車電動化和智能化的普及，新能源汽車的持續(xù)快速放量，電動汽車中的核心部件——功率半導(dǎo)體的需求量新增巨大。然而Si材料在經(jīng)歷了70年的開發(fā)后，到達了它的材料極限，傳統(tǒng)的IGBT和HVMOS在效率和功率密度上都存在不足。此時，擁有更快切換速度、溫漂損失小、功率密度更高、集成度更高的第三代半導(dǎo)體材料制成的SiC和GaN FET被搬上了汽車電子的舞臺，并將逐漸占領(lǐng)市場。
驅(qū)動半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展的動力，正讓測試面臨挑戰(zhàn)
無論是云服務(wù)器、5G通信、人工智能還是汽車電動化智能化的發(fā)展，都會對半導(dǎo)體測試帶來挑戰(zhàn)。
圖 | SoC測試示意圖
比如SoC工作在多樣的低核心電壓（<1V）下，但整個系統(tǒng)的峰值電流又很高（10-100A），于是為了滿足這個趨勢的需求，業(yè)界開發(fā)出了低噪聲、高效率，被稱為負載電裝置的功率調(diào)節(jié)器。而這些器件在出廠前需要經(jīng)過更高水平的負載和過流測試，更低且更精確的導(dǎo)通電阻RDS(on)的測量。
再比如電動汽車的BMS，通常單節(jié)電池的電壓范圍是3.6V-4.7V，所以其輸出和測量精度就要求在0.1mV左右。同時，在25個單元電池的監(jiān)控中，其浮地共模電壓要達到120V，以適應(yīng)在最高單元上運行高達120V的現(xiàn)代BMS設(shè)計，所以這是一種高共模電壓下的高精度電壓測量。
值得一提的是，針對這些高電壓、大電流、高精度的測試，泰瑞達的測試缺陷模型是非常完善的。
此外，在這兩個例子中，還同時面臨激增的產(chǎn)能需求，泰瑞達為了降低合作伙伴測試成本的ASP壓力，提高資本投資的效率和回報，增加了并行測試的站點數(shù)（從原來的4個站點增加到16/32個站點），大大擴容了吞吐量。
無獨有偶，在電動汽車和射頻應(yīng)用中開始加速普及的第三代半導(dǎo)體器件的使用，也會給半導(dǎo)體測試帶來挑戰(zhàn)。比如：配合功率密度升高的更高電壓電流的輸出和測量（SiC的擊穿電壓測量值高達3kV，某些測試電流高于2kA）；配合快速切換下的短脈沖寬度測量；SiC本身特性帶來的短路電流的測量（SiC器件的短路電流高達7.5kA）；以及確保GaN器件質(zhì)量，可篩選出工藝缺陷的動態(tài)RDS(on)也被稱為電流崩潰效應(yīng)的測量，而為了解決基于GaN的SiP功率模塊的高成本廢料問題，泰瑞達采用了更高質(zhì)量的晶圓探針測試，來幫助合作伙伴解決上述問題。
當然，前面這些挑戰(zhàn)只是半導(dǎo)體工業(yè)和ATE行業(yè)往前發(fā)展的縮影，實際上的變革需求遠遠大于我們所能列舉的。
如何破局，擁抱半導(dǎo)體測試新時代？
面對如此多的挑戰(zhàn)，誰來顛覆傳統(tǒng)的測試架構(gòu)，為半導(dǎo)體封測廠商解憂？作為提供半導(dǎo)體測試解決方案組合的領(lǐng)導(dǎo)者，泰瑞達提供的J750、UltraFLEX系列和EAGLE TEST SYSTEMS等產(chǎn)品可以完美地覆蓋上述需求。
我們來重點介紹一下UltraFLEX系列產(chǎn)品，它包括UltraFLEX和UltraFLEXplus兩種測試機。這兩款機型在產(chǎn)品規(guī)劃之初，就賦予了四大核心思想：
1.降低工程開銷——UltraFLEX是基于IG-XL軟件平臺構(gòu)建的，該平臺是一個已經(jīng)被證明具有很好魯棒性、易于編程的平臺，且提供所有儀器的延續(xù)性代碼。比如，相同的IG-XL版本和測試程序都可以在UltraFLEX和UltraFLEXplus測試儀上運行，因此只要用過UltraFLEX的工程師想要上手UltraFLEX plus，完全不需要額外培訓(xùn)；
2.更高的產(chǎn)量和質(zhì)量——UltraFLEX系列通過對重要特性的準確和完整測試，采用精確的規(guī)格，允許最小的保護和插入，幫助客戶實現(xiàn)最高的測試質(zhì)量和產(chǎn)量；
3.增加測試機存量/增量市場的價值——UltraFLEX和UltraFLEXplus投資的使用壽命都非常長，且提供長期升級選項
4.更少的測試單元——采用UltraFLEXplus可將IC量產(chǎn)所需的測試單元數(shù)量減少15%-50%提高生產(chǎn)效率，測試單元的減少可以轉(zhuǎn)化為更少的探針臺和分選器、更低的設(shè)備功率和更少的操作人員，從而最大程度地降低總制造成本。
寫在最后
我們生活在一個有趣的時代，半導(dǎo)體技術(shù)的未來及其在我們共同的未來中將扮演的角色從未如此令人興奮。今天的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)正在經(jīng)歷轉(zhuǎn)型，業(yè)務(wù)增長不再由數(shù)量或單位數(shù)量驅(qū)動，而開始關(guān)聯(lián)更多的復(fù)雜性和終端市場層面的多種技術(shù)集成。這些新興因素對未來的設(shè)計和制造設(shè)備提出了一系列新的挑戰(zhàn)，比如云、AI處理器、邊緣處理器、有線電源轉(zhuǎn)換和電信基礎(chǔ)設(shè)施的新生和變化，而正是這些變化讓我們保持在陡峭的學(xué)習(xí)曲線上。
