系统级测试（SLT）赋能下一代高性能芯片量产落地

随着半导体晶体管尺寸持续微缩、芯片复杂度指数级增长，半导体测试已成为保障产品质量的关键环节。同时可接受质量水平(AQL)认证标准日趋严格，测试方法也必须持续升级以满足要求。系统级测试(SLT)与采用自动测试设备(ATE)的传统测试相结合，可构建全面的测试策略，确保芯片性能超越质量要求。

 

系统级测试(SLT)能够识别并解决多项测试问题，但并非新技术。自上世纪90年代末，计算领域就开始应用该技术。然而，随着芯片集成的晶体管数量呈指数级增长、芯片复杂度不断提升，越来越多的集成芯片(IC)制造商开始采用SLT提升芯片良率和质量。

 

什么是系统级测试？它有何特别之处？

系统级测试也称为功能测试，是在最终应用场景下对待测芯片(DUT)进行测试的方法。通过运行操作系统，并利用待测芯片执行通用或有针对性应用测试，可实现传统ATE测试之外的额外验证。SLT测试通常是在芯片正常运行基础上增加验证步骤。

 

推动系统级测试发展的行业趋势

 

过去二十年间，受芯片行业多重趋势影响，SLT市场实现显著增长。

 

首先，芯片质量要求持续提高。过去十年间，人们对手机及其他电子设备的依赖程度不断加深，对芯片质量的要求也日益严苛。这推动制造商对芯片和系统开展全面测试，降低终端用户使用时出现故障的概率。移动设备领域的SLT需求也因此快速增长。

 

另一个趋势出现在汽车领域。在辅助自动驾驶汽车中，电子设备和软件负责感知周围环境，并通过自动转向或制动功能做出响应。高级驾驶辅助系统(ADAS)对标准提出更高要求，因此超高功率与混合信号芯片的性能、平台效率及热稳定性均至关重要。

 

芯片供应商持续突破技术极限，以提升性能、电池续航时间和良率，这意味着必须：

• 尽早推出基于新工艺节点的产品，即便工艺缺陷率可能偏高
• 尽可能降低工作电压以延长电池续航时间
• 微调锁相环(PLL)设置以最大限度地提升良率
• 采用先进封装技术，提高晶体管密度和性能

此外，在汽车信息娱乐领域，车企比以往任何时候都更贴近技术前沿。通过采用前沿技术实现更高稳定性，可有效缩短汽车信息娱乐产品的上市周期。

 

SLT的另一个增长领域是大数据处理、边缘及云端人工智能(AI)应用。这类应用对功率需求极高，功耗范围从数百瓦到数千瓦。

 

多元化市场带来多样化需求，确保成品中的元器件具备高质量，已成为关键且复杂的课题。随着技术不断逼近极限，SLT在避免缺陷遗漏、确保元器件达到质量要求方面的作用愈发重要。除提升产品质量外，让测试环境尽可能贴近终端应用场景，也有助于加快产品上市速度。

 

传统测试覆盖率面临更大挑战

IC制造商不断将更多功能集成到单个芯片中。以移动处理器为例，早期功能主要局限于通话，如今移动设备已支持图形处理、图像处理、高级安全等功能。过去，通信依靠数字处理实现，如今设备还集成语音、生物特征数据处理乃至AI算法，应用处理器(AP)也因此需要与高速存储器集成。

 

处理器持续演进，功能快速拓展。从健康指标监测、数据记录与存储、连接与控制、与车载传感器通信保障安全，到通过机器学习和AI简化生活，这些功能持续提升生产效率与安全性。与这些功能块交互相关的故障非常难以捕捉，尤其当此类功能块的测试接口采用不同语言时。

 

所有这些新功能均集成到一个应用处理器中，使得晶体管数量大幅增加，部分场景下增速甚至超越摩尔定律。

 

当然，测试挑战并不仅限于芯片功能层面。在将许多晶体管集成到IC时，有时必须做出权衡，进而导致传统测试方法的覆盖率下降。随着晶体管数量快速增加，故障率随之上升，需要通过更多测试避免故障率升高。ATE测试已不足以覆盖全部故障，可以借助SLT实现更全面的测试覆盖率。

 

如何运行SLT？

SLT是以高度贴近最终应用的方式对产品进行的功能测试。“系统”部分在定制的系统级测试板上实现，测试流程包括：

• 执行特定操作：运行待测芯片的通用功能和系统固有的目标应用，验证其是否按预期工作。此类操作可能包括启动芯片、加载操作系统，或运行模组所编写的特定程序，例如性能评估程序。所用系统级测试板与提供给客户的参考设计板或评估板相似。
• 判断操作是否成功：根据测试结果或操作成功与否进行衡量。例如，验证内部进程是否成功执行时，需要验证操作系统是否能够成功启动，或者测量特定数值（例如性能测试结果与阈值对比）作为判断依据。

 

大多数情况下，SLT中的系统配备板载处理器来执行测试流程。由于SLT主要面向片上系统(SoC)和系统级封装(SiP)芯片，因此测试处理器通常为待测芯片的一部分。如果不满足该条件，则需要在待测芯片的外围测试系统中配置合适处理器。

 

待测芯片周围的SLT板电路可根据需求调整。故障逃逸报告可快速直观地显示在屏幕上。这类测试难以在ATE上实现，因为必须开展大量故障分析，才能将功能故障追溯至晶体管级。SLT更适用于此类测试，能精准复现触发故障的应用场景，并快速将对应功能测试加入SLT测试中，几乎可立即找出故障逃逸的根本原因。

 

不过，由于SLT是模拟真实终端使用场景的功能测试，而非ATE所采用的结构测试，SLT测试时长通常长于传统ATE测试。因此，并行测试效率对保障SLT成本效益非常重要。ATE测试时长通常以10秒为单位，而SLT测试时长则以1到10分钟为单位。为实现最优效率，并行测试能力必须比ATE高出一个数量级。

 

成本至关重要

归根结底，成本至关重要。全面的测试策略可确保尽早捕获故障，避免后续流程产生额外成本。ATE晶圆测试在流程早期故障捕获方面表现优异，可有效发现晶体管级问题、对频率/电压变化的敏感性，以及是否符合基本设计规范等。

 

封装过程中可能产生部分缺陷，需要通过ATE成品测试进行识别。然而，仍有部分故障极为细微复杂，如果要求达到极低的百万分之缺陷率(DPPM)，待测芯片将难以通过测试验收流程。

 

在常规质量要求下，ATE成本通常随测试时长增加而上升。这种增长整体可控，并在一定范围内呈线性关系。然而，当测试需要覆盖高复杂度的晶体管级故障时，ATE成本最终会达到曲线拐点，并呈指数级增长。

 

这主要是因为识别此类故障需要大量时间，而且需要借助外围设备完成测试。目前，部分此类测试可在ATE上完成，包括部分参数测试和功能测试。但在某些情况下，由于额外电路数量与测试时长，这类测试在ATE上不再具备可行性。值得注意的是，SLT成本/测试时间不会随复杂度增加而增加，因其仅需启动或运行应用即可。过去50年里，ATE在捕获晶体管级设计参数故障方面表现出色，并将继续成为该环节最具成本效益的方法。对于无法在ATE上实施的测试，应采用基于芯片真实应用场景的SLT完成。

 

为什么多类故障可在ATE中捕获，却无法在SLT中检出？原因在于，与ATE不同，SLT不会系统地测试每个晶体管及其参数，而只会测试待测芯片中的一个实际应用子集，并提供功能结果。通过运行所有可预见的应用程序来激发每个晶体管并触发故障，几乎是不可能完成的任务。

 

SLT的成本效益体现在：可检出ATE无法测试的相当一部分故障，或可同时对芯片及其周围的多个IP模组进行测试。得益于更高的并发测试能力（单次可测芯片数量），单个芯片的测试成本可降至ATE的四分之一甚至更低。

 

随着芯片复杂度呈指数级增长，且任务关键型应用不断增多，ATE与SLT测试相结合，非常适合以最低成本维持高质量水平。

在一定程度上，ATE成本与复杂度/晶体管数量呈线性关系，因此适用于捕获晶圆级和IC级故障。SLT则能在测试流程的最后阶段，以优异的成本效益检出最后一批难以发现的故障。因此，对于质量要求极高的任务关键型应用，在现有ATE测试流程的末尾增加SLT，往往是最经济高效的策略。

为何选择泰瑞达？

唯有同时采用ATE和SLT测试，才能构建全面的测试策略。综合质量要求和成本等诸多因素，企业可在ATE和SLT之间确定最优平衡。

Teradyne Titan™ SLT测试机的一大优势是真正的并行测试。每个芯片完全独立于相邻芯片，可更高效地执行SLT和批量处理。

 

此外，泰瑞达拥有已稳定应用十余年的大规模自动化生产平台。通过将存储自动化架构与半导体测试专业能力深度融合，Teradyne Titan提供全面的SLT自动化和测试解决方案。

SLT是ATE测试的补充和延伸，旨在确保达到所需的质量水平。泰瑞达提供覆盖全测试生命周期的解决方案，助力客户实现最大化测试覆盖率，向市场交付最高品质的产品，同时缩短测试时间、降低测试成本。

 

结语

SLT已存在近30年，主要面向前沿的大规模数字计算应用。有些故障仅在真实应用场景中才会显现，而SLT正是为此而生。它在系统级测试板上对芯片开展应用级测试，借助专用外设捕获最后0.00xx%的故障，实现尽可能低的缺陷逃逸率。

 

SLT的增长源于质量要求持续提高、电子应用场景快速扩张、芯片复杂度不断提高，以及上市时间窗口持续缩短。泰瑞达通过整合ATE和SLT测试，为大批量制造提供全面测试解决方案，力求最大限度地捕获故障，不仅可覆盖手机应用处理器，还适用于汽车及高性能计算等终端市场的处理器。

 

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