隨著半導體電晶體尺寸不斷縮小，晶片複雜度呈指數級增長，半導體測試已成為確保唯有高品質產品能進入市場的關鍵環節。隨著更嚴格的「可接受品質水準」（AQL）認證標準的引入，測試方法必須不斷演進以符合這些標準；而系統級測試（SLT）與採用自動化測試設備（ATE）的傳統測試，共同構成了一套全面的測試策略，以確保元件的品質超越相關要求。
系統層級測試（SLT）雖能識別並解決諸多測試問題，但並非新技術。自 1990 年代末以來，該技術便已應用於電腦領域。然而，隨著晶片內整合的電晶體數量呈指數級增長，晶片的複雜度也隨之提升，越來越多的積體電路（IC）製造商開始採用 SLT 來提升晶片的良率與品質。
什麼是系統層級測試？它有何不同？
系統層級測試（亦稱為功能測試）是一種在終端使用情境下對被測裝置（DUT）進行測試的方法。透過執行作業系統，並利用被測裝置進行一般性或針對性的應用程式測試，可達成超越傳統自動測試設備（ATE）測試的額外驗證。系統層級測試通常包含裝置的正常運作，並附加額外的驗證步驟。
推動系統層級測試的產業趨勢
過去 20 年來，受晶片產業幾項趨勢的影響，SLT 市場已顯著成長。
首先，裝置的品質要求日益提高。過去十年間，人們對手機及其他電子裝置的依賴程度日益加深，導致對晶片品質的要求也隨之提高。這促使製造商對其晶片和系統進行全面測試，以降低終端用戶購買產品後遇到問題的可能性。正因如此，行動裝置的 SLT 市場呈現快速成長。
另一個趨勢則出現在汽車領域。在輔助自動駕駛車輛中，電子裝置與軟體會透過感測並對事件做出反應，進而自動操控方向盤或煞車。先進駕駛輔助系統（ADAS）對技術規格的要求更高，這意味著超高功率與混合訊號裝置的性能，以及平台效率與熱穩定性，都至關重要。
晶片供應商持續將技術推向極限，以提升效能、電池續航力及良率，這意味著他們必須：
- 儘管製程故障率可能較高，仍應盡早推出採用新製程節點的產品
- 請盡可能以較低的電壓運作，以延長電池使用時間
- 微調鎖相環（PLL）的設定以最大化良率
- 採用尖端封裝技術，以提升電晶體密度與性能
此外，在汽車資訊娛樂領域，汽車製造商比以往任何時候都更貼近科技前沿。透過採用尖端技術來提升系統穩定性，使他們能夠縮短汽車資訊娛樂產品的上市時間。
SLT 的另一個成長領域在於大數據處理，以及邊緣與雲端人工智慧（AI）應用，這些領域對功率需求極高——從數百瓦到數千瓦不等。
鑑於驅動這些多元市場的需求各異，確保高品質元件能裝入成品中，已成為至關重要卻也極為複雜的課題。隨著技術不斷被推向極限，使用 SLT 技術在防止漏檢瑕疵及確保元件達到所需品質水準方面，已變得愈發重要。除了提升產品品質外，將設備盡可能設置在終端應用場所附近，也有助於縮短產品上市時間。
傳統的測試覆蓋率面臨更多挑戰
積體電路製造商不斷將更多功能整合到單一晶片中。以行動處理器為例，早期其功能主要限於通話。如今，行動裝置已支援圖形處理、影像處理、進階安全功能等。過去，通訊主要透過數位處理來實現，但如今的裝置還包含語音與生物特徵資料處理，甚至人工智慧演算法。正因如此，應用處理器（AP）必須與高速記憶體整合。
處理器隨著時間不斷演進，其提供的功能也迅速擴展。諸如追蹤健康指標、資料記錄與儲存、連線與控制、與車輛周邊感測器通訊以確保安全，以及透過機器學習和人工智慧簡化人們生活等功能，正持續提升生產力與安全性。這些功能模組之間的互動所衍生的故障可能特別難以偵測，尤其當模組內的測試介面採用不同語言時更是如此。
所有 這些 這些新功能皆整合於單一 AP 中，這 意味著 晶體管數量 ，這意味著在某些情況下 甚至超越的 摩爾定律。
當然，測試的挑戰不僅限於裝置功能。當我們將多個電晶體整合到積體電路中時，有時必須做出取捨，導致透過傳統方法所能達到的測試覆蓋率有所下降。隨著電晶體數量增加，故障發生機率隨之提高，因此需要進行額外的測試以避免故障率上升。自動測試設備（ATE）已無法充分偵測所有故障，因此可採用系統級測試（SLT）來實現更全面的測試覆蓋率。
如何執行 SLT？
SLT 是一種以極其貼近產品最終使用情境的方式進行的產品功能測試。「系統」部分是在客製化的系統級測試板上實現的，其測試流程包含：
- 執行特定操作： 執行裝置的一般功能以及系統內建的目標應用程式，並驗證其運作是否符合預期。這些操作可能包括啟動晶片、載入作業系統，或執行由模組編寫的特定程式，例如效能評估程式。所使用的系統級測試板與提供給客戶的參考設計或評估板相似。
- 判定操作是否成功：依據測試結果或操作的成敗來衡量。例如，在驗證內部流程是否成功執行時，會驗證作業系統以確認其能否成功啟動，或測量特定數值（例如將效能測試結果與閾值進行比較）作為判斷依據。
在大多數情況下，SLT 系統會配備內建處理器來執行測試流程。由於 SLT 主要針對系統單晶片 (SoC) 和系統級封裝 (SiP) 晶片，因此測試處理器通常是被測裝置的一部分。若非如此，則需在被測裝置的外圍測試系統中配備合適的處理器。
被測裝置周圍的 SLT 電路板佈局可根據需求進行調整。 故障逃逸報告可快速且輕鬆地顯示於螢幕上。此類測試在自動測試設備（ATE）上難以實現，因為必須進行大量故障分析，才能將功能性故障追溯至電晶體層級。SLT 更適合進行此類測試，因為它能使用確切觸發故障的使用案例，並迅速將此功能測試加入 SLT 測試中，從而幾乎能立即找出故障逃逸的根本原因。
然而，由於 SLT 是一種模擬實際終端使用情境的功能性測試，而非 ATE 中常見的結構性測試，因此 SLT 的測試時間通常比傳統 ATE 更長。正因如此，並行測試的效率對於維持 SLT 的成本效益至關重要。ATE 的測試時間通常以 10 秒為單位，而 SLT 的測試時間則以 1 至 10 分鐘為單位。 為了達到最高效率，並行測試的效率必須比 ATE 高出一個數量級。
成本至關重要
歸根結底，成本至關重要。一套全面的測試策略能確保盡早發現故障，從而避免後續製程的成本。自動測試設備（ATE）晶圓測試在製程早期階段表現優異，能有效偵測包括電晶體層級問題、對頻率／電壓變化敏感度，以及是否符合基本設計規範等各類故障。
某些故障是在封裝過程中產生的，而 ATE 最終測試是用來識別這些問題的。然而，仍有部分故障極其隱蔽且複雜，若要求極低的百萬分率（DPPM）標準，該元件將永遠無法通過測試驗收程序。
就傳統的品質要求而言，自動測試設備（ATE）的成本通常會隨著測試時間的增加而上升。這種增長通常是可控的，且在某種程度上呈線性關係。然而，當需要對高複雜度的電晶體輸出進行測試時，ATE 的成本最終會在曲線上達到一個拐點，並呈指數級增長。
這主要是因為識別這些故障需要耗費大量時間，且必須搭配周邊設備進行測試。目前部分測試已在自動測試設備（ATE）上完成，包括某些參數測試與功能測試。然而，在某些情況下，額外電路數量過多以及測試時間過長，導致此類測試無法在自動測試設備上進行。 值得注意的是，SLT 的成本與測試時間並不會隨著複雜度增加而上升，因為它僅需啟動或執行應用程式。過去 50 年來，ATE 在偵測晶體管層級的設計參數故障方面表現優異，且將持續是執行此類檢測最具成本效益的方式。SLT 應應用於那些無法透過 ATE 並結合實際晶片應用情境來實現的測試。
為何許多類型的故障能在 ATE 中被偵測到，卻無法在 SLT 中被偵測到？原因在於，與 ATE 不同，SLT 並不會系統性地測試每個電晶體及其參數，而是僅針對裝置中的部分實際應用情境進行測試，並提供功能性測試結果。要執行所有可預見的應用程式來激發每個電晶體並產生故障，幾乎是不可能的。
SLT 的成本效益在於，透過此技術可檢測出相當比例的故障，這些故障是由 ATE 無法檢測的問題所引起，或是透過同時對晶片及其周圍的多個 IP 模組進行刺激而發現的。由於其並行可測試性（即同時測試的裝置數量）遠高於 ATE，因此每個裝置的測試成本可能僅為 ATE 的四分之一或更低。
隨著複雜度持續呈指數級增長，且關鍵任務型應用數量不斷增加，將 ATE 與 SLT 測試相結合，是能在最低成本下維持高品質水準的理想解決方案。
在某種程度上，自動測試設備（ATE）的成本與複雜度／電晶體數量呈線性關係，因此應利用其來檢測晶圓和積體電路（IC）層級的故障。在測試流程的最後階段，系統級測試（SLT）對於篩選出最後幾處難以發現的故障具有極高的成本效益。因此，對於品質要求極高的關鍵任務型應用而言，在現有的 ATE 測試流程末端加入 SLT，通常是最具成本效益的策略。
為什麼選擇泰瑞達？
唯有同時採用 ATE 與 SLT 測試，才能建立一套全面的測試策略。透過綜合考量多項因素，包括所需的品質水準與成本，企業便能找出 ATE 與 SLT 之間的最佳平衡點。
Teradyne Titan™ SLT 測試機的優勢之一在於真正的平行測試。每個晶片都與相鄰晶片完全獨立，這是一種更有效率地執行 SLT 及批次處理的方式。
此外，泰瑞達擁有一套已投入使用超過十年的大規模自動化生產平台。透過將我們的儲存自動化架構與半導體測試專業技術相結合，泰瑞達 Titan提供了一套全面的 SLT 自動化與測試解決方案。
SLT 是一項補充性測試步驟，也是 ATE 測試的延伸，旨在確保產品達到所需的品質水準。泰瑞達提供涵蓋整個測試生命週期的解決方案，確保客戶能實現最大測試覆蓋率，在將最高品質的產品推向市場的同時，亦能縮短測試時間並降低成本。
結論
SLT 問世至今已近 30 年，主要應用於尖端的大型數位運算領域。某些故障僅能在實際應用情境中顯現，而 SLT 正是針對此類情境而設計的理想解決方案。這是一種在系統級測試板上，利用專用周邊設備對晶片進行應用層級測試的方法，旨在捕捉最後那 0.00xx% 的故障，並將錯誤逃逸率降至最低。
SLT 的發展源於對品質需求的日益提升、電子應用場景的快速擴展、晶片複雜度的增加，以及產品上市週期的縮短。透過結合 ATE 與 SLT 測試技術，泰瑞達為大量生產提供了一套全面的測試解決方案，旨在捕捉最多的故障，不僅能滿足行動電話應用處理器的需求，更能應對汽車及高效能運算終端市場中的處理器測試需求。
繼續閱讀 – 請參閱我們的《系統層級測試》白皮書。
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Natalian Z. Der 現任泰瑞達（Teradyne）業務策略與系統級測試行銷總監。Natalian 於 2018 年加入泰瑞達，負責管理泰瑞達的UltraFLEXplus 並主導泰瑞達的中國市場策略。加入泰瑞達之前，Natalian 曾任職於三星旗下公司哈曼（Harman），擔任汽車售後市場電子產品線的全球產品線管理資深總監。 娜塔莉安的職業生涯始於Silicon Labs，當時負責管理針對手機及汽車市場的廣播射頻積體電路（RF IC）。娜塔莉安持有德克薩斯州休士頓萊斯大學（Rice University）的電機工程碩士學位及工商管理碩士學位。