ATE正成为半导体产业链的关键

在各类制造环节中，测试都是一整套方法学。如果从芯片测试场景来看，大致可以分为三类：通用仪器测试、系统级测试（SLT）以及自动测试设备（ATE）。其中，ATE又包括晶圆级测试（Wafer Test）和成品测试（Final Test）。它们对应芯片生命周期的不同阶段——从研发验证，到系统试运行，再到量产筛选。

三者的侧重点并不相同。通用测试解决的是“能不能做出来”，系统级测试关注“在真实系统中表现如何”，ATE面对的是芯片量产中的现实约束：在保证测试质量的前提下，以更低成本、更高效率完成筛选。

围绕这一目标，ATE系统需要在多个维度之间取得平衡，包括测试成本、测试能力、覆盖率与测试质量、并行测试能力以及功耗等。

测试容易成为被忽视的瓶颈

过去几年，行业的关注点更多集中在制造设备上。随着芯片复杂度提升和出货规模扩大，测试环节的压力逐渐显现，测试时间正在持续增长，也导致了测试成本的上升，而ATE环节及设备自然成为成本优化的重要抓手。

ATE市场长期高度集中，背后是系统复杂度高、验证周期长以及客户集中度高等因素共同作用。而近几年，芯片产量提升带动测试需求增长，本地化趋势下，中国也逐步涌现出一批ATE厂商。

ATE系统都包括了哪些？

测试的本质，是对被测对象施加可控激励，并对其响应进行测量与判定。

从硬件结构来看，一台ATE设备通常由测试主机、测试头、接口系统以及自动化设备组成，用于完成完整测试流程。

其中，测试头是核心所在。大量模拟与电源电路集中于此，并以“板卡”的形式构建系统能力。这种板卡化设计，使ATE可以按需配置，同时具备横向扩展能力，也便于维护与替换。

常见的三类核心板卡包括：电压或电流测量卡（V/I卡）、引脚电子卡（PE卡）以及器件电源卡（DPS卡）。

电压或电流测量卡提供精密电压、电流激励并完成参数测量；PE卡主要负责数字信号的激励与采集；DPS则提供稳定的供电环境，作为电压源或电流源使用。

测试设备必须比被测对象更精确，才能真实反映被测对象性能并避免误判，也正因此，芯片技术的进步，不断推动测试板卡向更高性能演进。

芯片供应商赋能ATE系统

ATE的变化创新不仅来自需求侧，也来自供给侧。

像Texas Instruments（TI）这样的半导体公司，正在从芯片层面切入测试系统。长期以来，TI在ADC、DAC、运放和电源管理等通用器件领域积累深厚，但在ATE这一细分市场中，专用产品和系统级布局相对有限。

这种情况正在发生变化。

近几年，TI开始持续投入ATE方向：推出专用PMU等关键器件并完善信号链与电源链产品组合。对于ATE这类应用而言，快速、准确的信号链是确保系统在能力和成本上的关键差异化。

同时TI还围绕ATE建立了系统团队，提供参考设计与板卡级方案。其目标不仅是器件替代，而是以系统能力参与到ATE系统的设计与创新中。

详解不同测试板卡需求

电压电流卡方案

在V/I（电压电流）卡中，多通道能力至关重要，但同时重要的是精度。V/I测量卡通常是设备上最精确的卡，用于评估DUT(被测器件)引脚的精确直流特性。V/I卡为DUT提供高精度电压或电流激励，并对响应进行测量，这类测试直接关系到器件直流参数的判定，对精度、稳定性和一致性要求最高。

该卡上的所有或部分元件可以集成到单个芯片中，也可以分立实现，集成实现可具有最高的多通道能力，而分立实现则可实现相对更高的灵活度。

PMU（参数测量单元）是实现多通道能力的关键。PMU本质上是一个闭环系统，既输出激励，又完成测量，并根据反馈进行调节。PMU需要支持以下模式：强制电压 (FV)、强制电流 (FI)、测量电压 (MV) 和测量电流 (MI)。在多通道场景中，PMU通常通过多路复用结构服务多个引脚，提高资源利用率。

例如TI的TSMU818A030，是一款高性能、高集成度的PMU，包含8 个独立通道。

每个通道内部集成电压输出DAC及钳位DAC，用于设定激励电平并实现保护控制。器件提供5档基于电阻的可编程强制/测量电流范围，量程覆盖±5µA至±100mA，其中4档量程采用片内检测电阻。

8 个通道的测量结果可通过线或（wired-OR）结构进行复用，无需外接多路复用器；同时也支持各通道独立输出测量信号。将多通道PMU能力集成在单芯片中，有助于提升通道密度，同时降低系统复杂度。

ADC 的模拟输入带宽必须更高，才能在多路复用器输出切换时准确捕获信号的变化。TI提供了诸如ADS9813多通道高带宽同步采样ADC，可以在并行测试中保持一致性，同时具备足够带宽以应对多路复用带来的动态变化。另外，ADS9813器件的完整集成模拟前端具有过压输入钳位、1MΩ输入阻抗、独立的可编程增益放大器(PGA)、可编程低通滤波器(LPF)和ADC输入驱动器，此外还集成低漂移精密基准，以及用作外部基准的集成式输入缓冲器。这种高集成方案可以极大提升测试卡密度，降低占板空间，同时提升信号链的准确性和完整性。

另外，在高精度测试与测量系统中，参考源本质上相当于整个系统用于校准的“黄金基准”，也就是一个长期稳定、几乎不发生变化的标准电压源。系统会以它作为绝对参考，并对 ADC、DAC 以及整个测量链路进行误差校正，因此参考源的稳定性将直接决定整体系统的运行精度以及后续校准维护周期。一旦黄金基准本身发生漂移，整个校准体系的准确性也会随之下降。TI 的 REF81 采用高稳定度埋入式齐纳参考架构，可实现低至 0.05ppm/°C 的超低温漂，以及在 1000 至 5000 小时范围内仅 0.3ppm 的长期漂移表现，能够在长时间运行过程中持续保证系统测量精度，并显著延长高端测试设备的校准周期。

参考源的选择直接决定整体系统的运行精度和校准维护周期，TI的REF81是业界最好的参考源之一，支持高达0.05ppm/°C输出温漂和低至1千到5千小时的0.3ppm 长期漂移，能够很好的保证整体系统精度和长期运行精度。

DPS卡

DPS（Device Power Supply器件电源）卡用于为DUT提供稳定、可控的电源环境。在逻辑和存储芯片测试中，供电质量会直接影响器件行为。

传统DPS多采用模拟控制环路，结构相对简单，但在复杂负载条件下，需要针对不同工况进行补偿，可能带来趋稳时间和振铃问题。如今，DPS正在逐步采用数字控制回路，以强化可编程性。在数字电源架构中，除了数字控制器，信号链同样关键，以确保电源的性能。

特别是ADC和DAC可以助力闭环算法优化控制策略，在精度与响应速度之间取得更好的平衡。精密 DAC 可驱动控制环路，强制实施电流和电压的直流电平。DAC 需要具有低噪声、低漂移和快速趋稳时间，以便保持精确、快速的环路响应时间，DAC11001B（超低噪声、低干扰和出色THD 性能的 20 位DAC）可用于此应用。

而ADC则负责输出信号的采集，并反馈至控制端。以ADS9219（18 位、20Msps/通道 SAR ADC）为代表的高速高精度ADC，可以快速完成采样与转换，降低系统延迟，提高动态响应能力。

另外，在V/I卡以及DPS卡中，放大器也是信号链中的关键环节。一方面，DAC 输出会传送到功率放大器或者是增益和功率放大器的组合，从而实现放大。另外，在ADC采样之前，也需要集成仪表放大器，以便保持信号完整性的同时，提供准确的结果。TI拥有丰富的精密放大器产品组合，适配于不同的应用场景中。

PE卡

PE卡（Pin Electronics）负责数字信号的激励与采集，是ATE中直接连接数字引脚的核心模块，逻辑与存储芯片的大量功能测试由此完成。

PE卡中的PPMU主要用于基础直流测试，对精度要求相对低于V/I卡，更强调通道密度与成本控制，因此需要在可接受精度范围内，实现更高集成度和更优成本结构。

在这种约束下，多通道ADC的复用能力成为关键。例如ADS9813可以通过多路复用方式对多个PPMU通道进行监测，在保证测量能力的同时降低系统复杂度。

随着测试系统的供电复杂度迅速提升，电源设计不仅需要满足低噪声、低纹波、瞬态响应、高精度同步等要求，还需要在有限板卡空间内实现更高功率密度。TI 拥有大量不同规格参数的超小尺寸电源模块与 DC/DC 方案，能够在保证低噪声与高精度的同时，更好地满足半导体测试设备日益增长的单板通道密度需求，为高性能 ATE 系统提供更紧凑、更高集成度的电源架构方案。

TI有大量的不同规格参数的超小尺寸电源模块，能够为日益增长的单板通道密度提供更好的解决方案。

ATE中的开关技术

除了核心测量单元，开关同样是ATE中的重要组成部分。

测试过程中需要在不同路径之间快速切换，例如在PE、PMU和DPS之间复用资源，或在不同测试节点之间建立连接。长期以来，这一功能依赖机械继电器或光继电器实现。

继电器具备低导通电阻和低漏电流的优势，适用于高精度测试，但体积较大，切换速度有限，寿命也受到约束。

随着系统向更高通道密度和更高集成度发展，基于半导体的精密模拟开关开始进入ATE系统。这类方案在体积、速度和集成度方面具有优势，有助于降低系统复杂度。

TI正在推动高性能模拟开关在ATE中的应用，在导通电阻、漏电流和线性度等指标上不断优化。

机械继电器仍会存在于极限精度场景中，但在更多测试路径中，半导体开关已经成为更具吸引力的选择。

测试正在从“验证环节”走向“系统能力”

ATE正在经历一轮底层能力重构：芯片复杂度持续提升，测试逐渐接近对性能边界的刻画。测试时间和成本压力同步增加，系统需要在效率与精度之间找到新的平衡。

ATE的竞争也从单一设备能力，转向底层系统架构的整体优化，包括信号链、电源链、控制环路等多个层面。芯片厂商的角色同样经历着变化，以德州仪器为代表的模拟与电源厂商，开始从器件供应走向系统能力，通过PMU、ADC、DAC、放大器和模拟开关的组合，以及对应的参考设计，真正做到了根据ATE发展需求，参与进架构设计中。

总而言之，测试系统中的模拟与电源能力正在被重新整合，以实现精度、速度和规模之间的平衡。当ATE向更高通道密度、更高精度、更快速及更低成本方向演进时，高性能模拟及信号链、电源、控制等底层能力组合，会成为下一阶段的重要竞争点。

来源：电子工程世界（EEWorld）