在探针卡层面进行集成，实现ATE系统中的可扩展LCR测量

摘要

随着半导体测试向更高复杂性与并行度演进，多工位自动测试设备(ATE)和SiC/GaN测试对电感、电容和电阻(LCR)测量的需求不断提升。然而，传统的外接台式LCR仪表和基于线缆的设置难以扩展，而且会降低可重复性。本文介绍了一种嵌入式模块化LCR方案，并结合探针卡集成案例，说明了如何实现可扩展的并行LCR测试。文章最后展望了这种方案在未来ATE中的应用。

市场背景和应用趋势

近年来，在先进封装应用加速、集成密度提高、对电源和信号完整性验证需求增长的共同推动下，半导体测试朝着更高复杂度与并行度的方向发展。相应地，晶圆级和封装级测试除了基本的通过/失败判定之外，还纳入了更多参数表征。

在此类参数化需求中，电感、电容与电阻(LCR)测量由于能够快速、定量地表征无源元件和器件结构的阻抗特性，而变得越来越重要。这一趋势在自动测试设备(ATE)环境中尤为明显。客户持续追求更多工位和更快吞吐速度，推动传统台式测量方法向可扩展、支持量产的架构转型。

在台湾地区，随着碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)等宽禁带功率器件的应用日益普及，对阻抗相关参数（包括栅极电容和导通电阻）进行表征变得至关重要。这些参数会直接影响开关性能、效率和可靠性。

然而，许多ATE平台本身并不支持LCR测量，因此客户常常通过线缆和夹具连接外部台式LCR仪表进行测量。这种方法通常局限于单一工位，难以扩展，而且较长的互连路径会降低可重复性并增加集成开销。

本文介绍了一种嵌入式模块化LCR方法，并分享了台湾地区的一个成功客户案例。在该案例中，ADI LCR解决方案(EVAL-ADMX2001)直接集成到探针卡上，取代了台式方案，从而在ATE系统中实现了可扩展的并行LCR测试。文末还展望了这种方法在新型ATE相关应用中的潜在成功案例。

ATE环境下的LCR测量原理

LCR测量广泛用于表征无源元件和器件结构，其原理是在特定激励频率下提取阻抗的幅值和相位。在典型实施方案中，LCR测量系统可被视为由三个功能块组成：交流激励生成、电压和电流检测、幅值/相位提取。

基本测量概念

实际的LCR测量设置一般遵循如下信号流。

交流激励生成：系统对被测器件(DUT)施加一个已知的正弦（或周期性）激励。

检测：系统测量由此产生的电压和电流响应。

提取：系统利用测得的电压与电流幅值以及其间的相对相位，估算复阻抗Z，并根据选定的测量模型（例如串联或并联表示方式）推导出等效R、L和C值。

对于频率为f(ω=2πf)的正弦激励信号，DUT阻抗在相量域中计算如下：

如果测得的幅值为|V|和|I|，相位差为ϕ=∠V-∠I，则

其中，R为阻性分量，X为电抗性分量（图1）。

结果通常以串联模型Z = Rs + jXs表示（低阻抗DUT的首选方式），或以并联模型通过导纳形式表示。

这通常适用于高阻抗/漏电流占主导的情况。

图1：复平面上的阻抗表示

为什么测量路径长度很重要

在ATE部署中，阻抗测量信号路径通常包含额外的互连元件，例如测量模块与DUT之间的线缆、连接器、开关网络和探针卡布线。这些元件会引入寄生效应，影响实测阻抗的幅值和相位，并且其影响通常会随着路径长度和集成复杂度的增加而增大。

寄生电阻(R)：增加串联损耗，可能使低阻抗测量产生偏差。

寄生电感(L)：随着频率提高而变得更加明显，可能使相位响应出现失真。

寄生电容(C)：耦合节点，可能产生与频率相关的负载效应，尤其是在高阻抗测量中。

因此，模块到DUT的路径越长，测量的不确定性就越大，可重复性就越低。通过线缆和夹具将台式LCR仪表远程连接到DUT时，这种影响尤其明显。从系统角度看，必须认识到LCR测量具有内在的相位敏感性。因此，激励和检测路径上的任何额外寄生效应或信号完整性劣化，都会直接表现为测量误差和结果的不稳定性。

图2：ADMX2001功能块，包含LTM8049、LTC2962、LT3032、LT3023、AD9834、AD8421、ADA4807-2、AD5689R、ADAQ4003、AD8251、AD8065、ADA4817-1、ADG1212

表1：ATE中的LCR测量比较

实验室仪表与ATE现场应用的差异

台式LCR仪表专为在控制良好的实验室环境中实现高精度测量而设计。但在ATE环境中，由于系统必须面对更多现实条件约束，同样的测量任务会变得更加困难：

更多开关和布线：信号通常要经过开关和复杂的路由，这会增加寄生效应并加剧信号波动。

DUT附近空间有限：在探针卡上，面积、布线密度和热约束会限制测量电路的布局位置。

生产优先事项：ATE强调吞吐能力、多工位并行测试和可扩展性，这可能与单通道、追求极致精度的实验室仪器设计思路不一致。

ATE的成功不仅取决于单一设置下的精度表现，更关键的是系统架构在扩展至多工位运行时，仍能保持结果的稳定性与可重复性，并与参考仪表保持合理的相关一致性。

ATE中LCR测量的系统级比较

在ATE系统中部署LCR测量时，核心挑战是在测量保真度与可扩展的测试吞吐能力之间取得平衡。在实验室环境中，主要目标是针对单一设置实现高精度。ATE则不同，它需要一种既能支持高通道密度和并行测试，又能与参考测量保持足够相关性的架构。表1从工程角度比较了传统台式设备与模块化方法在ATE应用中的关键差异。

实施示例：ADMX2001 LCR模块

根据前述关键要点，采用嵌入式模块化LCR架构能够有效提升ATE系统的通道密度。作为实施示例，ADI的仪器仪表系统解决方案(ISS)团队构建了ADMX2001模块，如图2所示。它是一款紧凑型阻抗分析仪系统化模块，PCB尺寸为1.5in × 2.5in (38mm × 63.5mm)，适用于嵌入式场景，带有UART和SPI控制接口。在实际应用中，该模块可通过EVAL-ADMX2001EBZ母板，下同进行评估。此载板支持标准LCR式DUT连接，并配备了I/O接头(BNC)，有助于从台式评估顺利过渡到系统集成。

从测量拓扑结构的角度来看，ADMX2001支持4线（开尔文）测量，激励路径和检测路径分开，以尽可能降低引线和接触电阻的影响。这对于低阻抗测量（例如面向等效串联电阻(ESR)的应用）尤其有利，可避免线缆、连接器或探针触头的微小寄生效应导致结果出现偏差。结合靠近DUT的布局布线，开尔文方法有助于提高可重复性，并降低对路径相关差异的敏感性。这两点对多工位量产筛选均非常重要。

图3展示了电容和电感的复阻抗等效电路，各元件参数可通过LCR频率扫描提取得到。

图3：电容和电感的复阻抗等效电路

典型的评估到集成流程

ADMX2001B模块安装在评估载板上，通过载板的电源输入供电，并经由USB转UART线缆连接到主机PC，以访问命令行界面进行配置和测量。对于嵌入式集成，该平台支持基于SPI的控制，使主机控制器（或测试执行程序）能够以自动化方式配置测量条件、触发测量并读取结果。因此，它非常适合与ATE系统集成。

校准考量

在实际应用中，尤其是与台式参考仪器进行相关性分析时，应在建立线缆/夹具/探针配置后执行校准。一种常见且有效的方法是采用“开路-短路-负载”校准序列，利用已知参考负载来补偿与夹具相关的寄生效应并确定测量精度。为了获得最佳相关性，校准负载的选择通常应具有代表性，能够覆盖目标频点下DUT的预期阻抗范围。该平台还支持保存和复用给定夹具配置下的校准数据。但是，如果测量路径或夹具发生实质性变化，建议重新校准以维持稳定的相关性和可重复性。

总之，ADMX2001模块为可扩展的LCR测量提供了一种实用的嵌入式构建模块：足够紧凑，可集成到DUT附近；可通过ATE友好型数字接口进行控制；得到校准流程的支持，能够在面向量产的约束条件下，实现与台式参考仪表的稳定相关性。

成功客户案例：多工位ATE晶圆测试系统中基于探针卡的LCR测量

本节介绍台湾地区一家客户的成功部署案例：ADMX2001 LCR模块被集成到主流多工位ATE环境中，实现了面向量产的阻抗测试。目标应用是汽车级特种电容的ESR测量。

原设置：外接台式LCR仪表（基于线缆的配置）

如图4所示，在客户的原配置中，ESR和电容测量依赖于外接台式LCR仪表，后者通过线缆和额外的布线连接到DUT区域。这种方法固然能提供大家所熟悉的参考测量，但也给ATE的使用带来了一些限制。更长的互连路径导致测量更容易受到寄生效应和相位误差因素的影响，这对于小ESR测量的影响尤其明显。此外，测量流程基本局限于单工位顺序执行。与其他已针对多工位操作进行优化的测试项目相比，这项测量成为了制约整体吞吐能力的瓶颈。

图4：线缆安装策略

迁移策略：基于探针卡的嵌入式LCR模块

为了克服这些限制，客户迁移到采用ADMX2001模块的基于探针卡的嵌入式LCR架构，如图5所示。关键的系统级变化是将LCR测量功能移到更靠近DUT区域的位置，从而缩短有效测量路径，减少对长线缆的依赖。这种设计方式也称为“直接对接”。从量产集成角度来看，此举有助于降低寄生不确定性，提高稳定性，并简化多工位测试的扩展模型。

图5：探针卡上的LCR模块

结果：多工位部署能力和吞吐能力提升

迁移后，LCR测量能力从单工位操作扩展到多工位（4到8个工位）操作，量产测试序列中的并行LCR/ESR测试得以实现。此举缓解了顺序测量瓶颈，提高了整体测试吞吐量。

相关性总结：与台式参考仪器一致且多工位行为稳定

为了验证测量完整性，客户对基于探针卡的解决方案和原台式LCR仪表进行了相关性检查。结果如图6所示。对比结果表明，在预定筛选条件下，代表性元件的实测电容和ESR具有良好的一致性。此外，嵌入式解决方案在多工位操作中展现出稳定的性能，证明其适合量产部署，满足量产对可重复性和相关性维护的严苛要求。

图6：台式仪表与ADI LCR模块的性能比较

关键要点

本案例表明，对于汽车级电容ESR测试而言，低阻抗敏感性和吞吐量限制均非常重要。相较于传统的外接台式LCR仪表配置，采用ADMX2001模块的嵌入式探针卡LCR方法能够在相关性、可重复性和多工位可扩展性方面实现更为实用的平衡。

结论及未来展望

随着ATE测试流程向更高的并行度和更深的参数覆盖率演进，嵌入式LCR测量日益成为生产环境中的一种实用且可扩展的方法。相比依赖外部仪表，直接在靠近DUT的位置进行阻抗测量有助于降低对寄生效应的敏感性，并在满足吞吐量要求的同时，支持可重复的筛选。

这一趋势也与采用先进封装技术的AI器件日益增长的需求相吻合。随着封装内集成的无源元件（如电容）日益增多，阻抗相关的特性表征（常常在多工位和多引脚的测试条件下进行）变得愈发重要。此外，SiC/GaN和MOSFET测试也需要更高的偏置电压。为了保持模块的紧凑尺寸，我们正在探索将偏置电路集成到现有ADMX2001中的可行方法。

展望未来，模块化测量架构将是赋能下一代测试系统的重要技术。得益于可复制的LCR模块，测试系统能够以可控的集成和验证成本，轻松实现单工位到多工位的无缝扩展。因此，嵌入式LCR解决方案非常适合未来的ATE架构。

致谢

作者衷心感谢ADI ISS团队，其提供的紧凑型高精度模块为本研究的顺利完成奠定了基础。同时，特别感谢AE Slater Campbell给予的出色技术支持和密切配合，其贡献对我们现场团队在ATE领域成功实施上述解决方案至关重要。