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后摩尔时代,半导体测试的挑战与良策

发布日期:2022-03-18 浏览次数:271 作者:网络


驱动半导体工业发展的动力是什么?是人们对自然学习语言、人工智能、自动驾驶、视频监控、增强/虚拟现实、5G通信、个人医疗、可再生能源以及智能电网的需求。表面上看,这些需求五花八门,但透过现象看本质后,我们可以惊奇地发现他们存在许多共同点,比如数以亿计的计算能力、无线网络的扩展能力、高效的能源管理能力,以及多维感知的能力。而实现这些系统级能力的基础是关键器件的性能升级,比如处理器的堆核升频,网络的异质互联,以及感知层的提精降耗等等。


后摩尔时代,半导体产业面临变革
 

根据Omdia发布的数据显示,目前半导体产业内增长最快速的三个应用领域分别为汽车处理、数据中心服务器处理和高级移动半导体领域,预计未来5年的增长率分别为16%、12%和7%。受高速、高算力和高带宽需求的影响,这些应用领域的处理器工艺制程已经迈向新节点,达到了市场上最先进的5-7nm级别,预计到本世纪末将达到1nm的范畴。


图 | Fab 数字制程节点快逼近1nm

工艺节点的提高不仅意味着产品面世周期的延长,成本的指数型增长,还面临随着单芯片集成度不断提高、算力越来越密集、晶圆面积不断增大后,良率和产量开始走下坡的挑战。有数据表明,当单芯片晶圆面积只有10 mm²时,良率可达70%以上,而当单芯片晶圆面积增长到360 mm²时,良率已经降至15%左右。

所以业界开始寻求降本增产,加速产品上市的方法。而以chiplet构成的系统可以说是一个“超级”异构系统,给传统的异构SoC增加了新的维度。业内专家称,采用经过充分测试和验证的chiplet可以大大缩短产品的上市时间,降低芯片的研发成本。这样做的好处是可以根据需要利用不同的制程节点来优化目标设计。根据统计数据显示,单芯片面积同为360 mm²时,采用4颗小芯片的方案良率可从上述的15%提升至37%左右。


图 | 与单片芯片相比,晶粒chiplet技术可实现更高的产量

不过有一点是无论如何都避免不了的,那就是先进工艺节点下多样的低核心电压,以及功能堆叠下的峰值电流的增加,因此从处理器到应用系统,所需的电源管理系统也变得愈加复杂。总结下来就是,更强大的数据处理能力将拉动更高复杂性、更高性能的电源管理市场的发展。

谈到电源管理,我们不得不说一说当前火热的汽车电子市场。随着汽车智能网联、电动化趋势的不断发展,汽车电子成本占比将达到整车成本的50%,包括AI芯片、MCU、传感器、通信模块、电池管理、DC/DC电压转换器、牵引电机逆变器、车载充电器,以及其他系统的电气化设备等,同时需求总量正呈现指数型攀升趋势。

此外,随着汽车电动化和智能化的普及,新能源汽车的持续快速放量,电动汽车中的核心部件——功率半导体的需求量新增巨大。然而Si材料在经历了70年的开发后,到达了它的材料极限,传统的IGBT和HVMOS在效率和功率密度上都存在不足。此时,拥有更快切换速度、温漂损失小、功率密度更高、集成度更高的第三代半导体材料制成的SiC和GaN FET被搬上了汽车电子的舞台,并将逐渐占领市场。

驱动半导体工业发展的动力,

正让测试面临挑战

 

无论是云服务器、5G通信、人工智能还是汽车电动化智能化的发展,都会对半导体测试带来挑战。



图 | SoC测试示意图

比如SoC工作在多样的低核心电压(<1V)下,但整个系统的峰值电流又很高(10-100A),于是为了满足这个趋势的需求,业界开发出了低噪声、高效率,被称为负载电装置的功率调节器。而这些器件在出厂前需要经过更高水平的负载和过流测试,更低且更精确的导通电阻RDS(on)的测量。


再比如电动汽车的BMS,通常单节电池的电压范围是3.6V-4.7V,所以其输出和测量精度就要求在0.1mV左右。同时,在25个单元电池的监控中,其浮地共模电压要达到120V,以适应在最高单元上运行高达120V的现代BMS设计,所以这是一种高共模电压下的高精度电压测量。

值得一提的是,针对这些高电压、大电流、高精度的测试,泰瑞达的测试缺陷模型是非常完善的。

此外,在这两个例子中,还同时面临激增的产能需求,泰瑞达为了降低合作伙伴测试成本的ASP压力,提高资本投资的效率和回报,增加了并行测试的站点数(从原来的4个站点增加到16/32个站点),大大扩容了吞吐量。

无独有偶,在电动汽车和射频应用中开始加速普及的第三代半导体器件的使用,也会给半导体测试带来挑战。比如:配合功率密度升高的更高电压电流的输出和测量(SiC的击穿电压测量值高达3kV,某些测试电流高于2kA);配合快速切换下的短脉冲宽度测量;SiC本身特性带来的短路电流的测量(SiC器件的短路电流高达7.5kA);以及确保GaN器件质量,可筛选出工艺缺陷的动态RDS(on)也被称为电流崩溃效应的测量,而为了解决基于GaN的SiP功率模块的高成本废料问题,泰瑞达采用了更高质量的晶圆探针测试,来帮助合作伙伴解决上述问题。

当然,前面这些挑战只是半导体工业和ATE行业往前发展的缩影,实际上的变革需求远远大于我们所能列举的。

如何破局,拥抱半导体测试新时代?

 

面对如此多的挑战,谁来颠覆传统的测试架构,为半导体封测厂商解忧?作为提供半导体测试解决方案组合的领导者,泰瑞达提供的J750、UltraFLEX系列和EAGLE TEST SYSTEMS等产品可以完美地覆盖上述需求。


图 | 泰瑞达的产品目标

我们来重点介绍一下UltraFLEX系列产品,它包括UltraFLEX和UltraFLEXplus两种测试机。这两款机型在产品规划之初,就赋予了四大核心思想:


1.降低工程开销
——UltraFLEX是基于IG-XL软件平台构建的,该平台是一个已经被证明具有很好鲁棒性、易于编程的平台,且提供所有仪器的延续性代码。比如,相同的IG-XL版本和测试程序都可以在UltraFLEX和UltraFLEXplus测试仪上运行,因此只要用过UltraFLEX的工程师想要上手UltraFLEX plus,完全不需要额外培训;


2.更高的产量和质量
——UltraFLEX系列通过对重要特性的准确和完整测试,采用精确的规格,允许最小的保护和插入,帮助客户实现最高的测试质量和产量;


3.增加测试机存量/增量市场的价值
——UltraFLEX和UltraFLEXplus投资的使用寿命都非常长,且提供长期升级选项


4.更少的测试单元
——采用UltraFLEXplus可将IC量产所需的测试单元数量减少15%-50%提高生产效率,测试单元的减少可以转化为更少的探针台和分选器、更低的设备功率和更少的操作人员,从而最大程度地降低总制造成本。

 

我们生活在一个有趣的时代,半导体技术的未来及其在我们共同的未来中将扮演的角色从未如此令人兴奋。今天的半导体产业正在经历转型,业务增长不再由数量或单位数量驱动,而开始关联更多的复杂性和终端市场层面的多种技术集成。这些新兴因素对未来的设计和制造设备提出了一系列新的挑战,比如云、AI处理器、边缘处理器、有线电源转换和电信基础设施的新生和变化,而正是这些变化让我们保持在陡峭的学习曲线上。泰瑞达团队希望与您一同踏上这段有趣的成长旅程,当您遇到测试挑战时,欢迎联系泰瑞达当地的合作伙伴,在合作中实现共赢。

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