让测试测量的精度再提升

半导体技术进步如何推动测试设备实现突破性发展




作者：德州仪器

一辆自动驾驶汽车以每小时 35 英里的速度驶向路口，其激光雷达系统探测到前方有障碍物。能否精准测出与障碍物的距离是 165 英尺还是 167 英尺，将决定车辆能否及时平稳制动。多出来的这 2 英尺，可能就是安全与灾难的分界线。

这种精度的测量依赖于精密的模拟技术，它连接了数字处理与我们的物理世界。

高精度数据转换器、放大器、电压基准源及其他模拟集成电路 (IC)，旨在以前所未有的准确性捕捉真实世界的信号，如温度、湿度、电压、电流、距离和位置。这些模拟芯片在电路板上协同工作，提供系统级的精度，使数字系统能够做出智能决策。

然而，在芯片协同工作之前，必须使用比芯片本身更尖端的先进测试设备，对其性能和精度进行测试与验证。自动化测试系统 (ATE)、高分辨率示波器、数字万用表及其他工具，依靠先进的半导体器件来验证下一代电子产品的性能。一旦出现任何失误，制造商就可能面临高昂的产品失效损失、安全隐患，更重要的是，会失去消费者的信任。


永不止步的精度追求

TI 数据转换器与时钟产品副总裁 Karthik Vasanth 表示：“半导体行业正朝着栅极长度 1.5nm 的晶体管迈进。打个比方，两个硅原子之间的间距约为 0.23nm，所以这个距离大约相当于原子间距的五倍。这简直令人难以置信。”

随着半导体达到原子级的精度，高分辨率测试设备也必须变得同样尖端。工程师们持续设计测试设备，使其每一代都能测量更宽的带宽、更快的信号和更高的分辨率。


NI 的 ATE 核心配置提供完全可定制的机架，使工程师能够构建高性能、标准化的自动化测试系统

Robert Manion 在 Emerson 旗下的 National Instruments (NI) 亲身见证了这一演进历程。作为半导体解决方案测试与测量部门的总经理，他的公司使用 TI 的精密 IC 来检测几年前难以测量甚至无法测量的性能变化。

Robert 表示：“从亚 2nm 工艺研究到硅验证、特性分析以及大批量生产 ATE，NI 系统的设计目标就是测试全球最先进的半导体。要实现如此广泛的测试覆盖，我们必须集成顶尖的数据转换器和精密模拟组件。结合我们测试平台中不断发展的 AI 技术，我们如今能发现数年前完全无法捕捉的器件特性。这将可以帮助芯片制造商加速学习周期，并更有信心地将每一代新器件推向市场。”


精度要求

Karthik 表示：“设计人员总会选择性能最优、最可靠的元件，他们不会在基础精度规格上妥协。”这一现实推动了持续创新，因为 TI 从两个角度都面临着需求：既是芯片制造商，又是设备使用者。

例如，放大器的精度已实现大幅提升。如今的精密放大器能够检测到的电信号，比十年前所能达到的精度要高出 100 倍。TI 放大器副总裁 Prajkta Vyavahare 表示：“即使是像放大器这样简单的半导体元件，也正通过其高精度和高准确性改变世界。”

如今的测试测量设备需要性能极其稳定的精密放大器，其偏差必须保持在微伏级别，并且还要实现超低噪声。例如，数据转换器必须足够灵敏，能在 1500 万个正常测量值中检测出一个有缺陷的测量值——同时还要每秒处理超过 10 亿个样本。而电压基准源则需提供几乎零漂移的电压输出，从而使测试设备能够在无需校准的情况下长时间使用，并助力开启精准度的新时代。

测试测量在推动器件进步中扮演着重要角色。Prajkta 表示：“一旦设计和制造出半导体，目标就是需要确保它满足为其设定的每一项性能指标。测试不仅是为了验证，更能让我们对设计充满信心。”

这些性能要求也催生了一个半导体制造商与设备制造商之间的良性循环，推动着整个行业发展。Karthik 表示：“每一款达到这种精度的产品在出厂前都必须经过测试。这是先决条件。测试设备必须始终比它所测量的产品更精确，这促进了半导体设计和测试技术的持续创新。”


高精度感知是实时工业诊断的基础


永无止境的征程

这种对精度的不懈追求适用于任何需要更精确测量的应用。电动汽车电池系统需要精密放大器来精确测量充电电流和电压，以避免危险故障发生。数据中心的人工智能 (AI) 芯片在部署到服务器之前，需要通过测试来排查微小的缺陷。

半导体的进步将持续赋能自动化测试设备，使其具备增强的 AI 能力，能够预测故障并实时做出决策。集成度的突破将带来更小、更可靠的测试系统，帮助制造商提高质量、加快产品上市速度并扩大生产规模。

Prajkta 表示：“最终，只有解决实际的工程问题才可以认为是成功。当测试测量系统的设计人员告诉我们，我们的产品解决了他们的难题，那就说明我们真正实现了高精度。”