透過探針卡等級進行整合，實現ATE系統中的可擴充式LCR量測

摘要

隨著半導體測試向更高複雜性與並行度演進，多站點自動化測試設備(ATE)和SiC/GaN測試對電感、電容和電阻(LCR)測量的需求不斷提升。然而，傳統的外接桌上型LCR儀錶和基於線纜的設定難以擴展，而且會降低可重複性。本文介紹一種嵌入式模組化LCR方法，並結合探針卡整合案例，說明如何實現可擴展的並行LCR測試。文章最後並展望了此方案在未來ATE中的應用。

市場背景和應用趨勢

近年來，在先進封裝應用加速、整合密度提高、對電源和訊號完整性驗證需求增加的共同推動下，半導體測試朝著更高複雜度與平行測試方向發展。相對地，晶圓級和封裝級測試除了基本的通過/失敗判定之外，還納入了更多參數化特性分析。

在此類參數化需求中，電感、電容與電阻(LCR)測量由於能夠快速、定量地表徵分析被動元件和元件結構的阻抗特性，而變得越來越重要。此一趨勢在自動化測試設備(ATE)環境中尤為明顯。客戶持續追求更多站點和更快吞吐速度，推動傳統桌上型測量方法向可擴展、支援量產的架構轉型。

在臺灣，隨著碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)等寬能隙功率元件的應用日益普及，對阻抗相關參數（包括閘極電容和導通電阻）進行表徵變得非常重要。這些參數會直接影響開關性能、效率和可靠性。

然而，許多ATE平台本身並不支援LCR測量，因此客戶常常透過線纜和夾具連接外部桌上型LCR儀錶進行測量。這種方法通常侷限於單一站點，難以擴展，而且較長的互連路徑會降低可重複性並增加整合開銷。

本文介紹了一種嵌入式模組化LCR方法，並分享一個成功客戶案例。在該案例中，ADI LCR解決方案(EVAL-ADMX2001)直接整合到探針卡上，取代了台式方案，進而在ATE系統中實現了可擴展的並行LCR測試。文末並展望了這種方法在新型ATE相關應用中的潛在成功案例。

ATE環境下的LCR測量原理

LCR測量廣泛用於表徵被動元件和元件結構，其原理是在特定激勵頻率下提取阻抗的幅值和相位。在典型建置方案中，LCR測量系統可被視為由三個功能塊組成：交流激勵生成、電壓和電流感測、幅值/相位提取。

基本測量概念

實際的LCR測量設定一般遵循如下訊號流。

• 交流激勵生成：系統對被測元件(DUT)施加一個已知的正弦（或週期性）激勵。
• 感測：系統測量由此產生的電壓和電流響應。
• 提取：系統利用測得的電壓與電流幅值以及其間的相對相位，估算複阻抗Z，並根據選定的測量模型（例如串聯或並聯表示方式）推導出等效R、L和C值。

對於頻率為f(ω=2πf)的正弦激勵訊號，DUT阻抗在相量域中計算如下：

如果測得的幅值為|V|和|I|，相位差為ϕ=∠V-∠I，則

其中，R為阻性分量，X為電抗性分量（圖1）。

結果通常以串聯模型Z = Rs + jXs表示（低阻抗DUT的首選方式），或以並聯模型透過導納形式表示。.

這通常適用於高阻抗/漏電流為主的情況。

為什麼測量路徑長度很重要

在ATE部署中，阻抗測量訊號路徑通常包含額外的互連元件，例如測量模組與DUT之間的線纜、連接器、開關網路和探針卡佈線。這些元件會引入寄生效應，影響實測阻抗的幅值和相位，並且其影響通常會隨著路徑長度和整合複雜度的增加而增大。

• 寄生電阻(R)：增加串聯損耗，可能使低阻抗測量產生偏差。
• 寄生電感(L)：隨著頻率提高而變得更加明顯，可能使相位回應出現失真。
• 寄生電容(C)：耦合節點，可能產生與頻率相關的負載效應，尤其是在高阻抗測量中。

因此，模組到DUT的路徑越長，測量的不確定性就越大，可重複性就越低。透過線纜和夾具將桌上型LCR儀錶遠端連接到DUT時，這種影響尤其明顯。從系統角度看，必須認識到LCR測量具有內在的相位敏感性。因此，激勵和感測路徑上的任何額外寄生效應或訊號完整性劣化，都會直接表現為測量誤差和結果的不穩定性。

實驗室儀錶與ATE現場應用的差異

桌上型LCR儀錶專為在控制良好的實驗室環境中實現高精度測量而設計。但在ATE環境中，由於系統必須面對更多現實條件約束，同樣的測量任務會變得更加困難：

• 更多開關和佈線：訊號通常要經過開關和複雜的路由，這會增加寄生效應並加劇訊號波動。
• DUT附近空間有限：在探針卡上，面積、佈線密度和熱約束會限制測量電路的佈局位置。
• 生產優先事項：ATE強調吞吐能力、多站點並行測試和可擴展性，這可能與單通道、追求極致精度的實驗室儀器設計思路不一致。

ATE的成功不僅取決於單一設定下的精度表現，更關鍵的是系統架構在擴展至多站點運行時，仍能保持結果的穩定性與可重複性，並與參考儀器保持合理的相關一致性。

ATE中LCR測量的系統級比較

在ATE系統中部署LCR測量時，核心挑戰是在測量傳真度與可擴展的測試吞吐能力之間取得平衡。在實驗室環境中，主要目標是針對單一設定實現高精度。ATE則不同，其需要一種既能支援高通道密度和並行測試，又能與參考測量保持足夠相關性的架構。表1從工程角度比較了傳統桌上型設備與模組化方法在ATE應用中的關鍵差異。

實作範例：ADMX2001 LCR模組

根據前述關鍵要點，採用嵌入式模組化LCR架構能夠有效提升ATE系統的通道密度。作為實作範例，ADI的儀器儀錶系統解決方案(ISS)團隊建構了ADMX2001模組，如圖2所示。其是一款精巧型阻抗分析儀系統化模組，PCB尺寸為1.5in × 2.5in (38mm × 63.5mm)，適用於嵌入式場景，具有UART和SPI控制介面。在實際應用中，該模組可透過EVAL-ADMX2001EBZ載板進行評估。此載板支援標準LCR式DUT連接，並配備了I/O接頭(BNC)，有助於從桌上型評估順利轉換到系統整合。

從測量拓撲結構的角度來看，ADMX2001支援4線（開爾文）測量，激勵路徑和檢測路徑分開，以盡可能降低引線和接觸電阻的影響。這對於低阻抗測量（例如因應等效串聯電阻(ESR)的應用）尤其有利，可避免線纜、連接器或探針觸頭的微小寄生效應導致結果出現偏差。結合靠近DUT的佈局佈線，開爾文方法有助於提高可重複性，並降低對路徑相關差異的敏感性。這兩點對多測試站量產篩選均非常重要。

圖3展示了電容和電感的複阻抗等效電路，各元件參數可透過LCR頻率掃描擷取得到。

典型的評估到整合流程

ADMX2001B模組安裝在評估載板上，透過板載的電源輸入供電，並經由USB轉UART線纜連接到主機PC，以存取命令列介面進行配置和測量。對於嵌入式整合，該平台支援基於SPI的控制，使主機控制器（或測試執行程式）能夠以自動化方式配置測量條件、觸發測量並讀取結果。因此，它非常適合與ATE系統整合。

校準考量

在實際應用中，尤其是與桌上型參考儀器進行相關性分析時，應在建立線纜/夾具/探針配置後執行校準。一種常見且有效的方法是採用「開路-短路-負載」校準序列，利用已知參考負載來補償與夾具相關的寄生效應並確定測量精度。為了獲得最佳相關性，校準負載的選擇通常應具有代表性，能夠覆蓋目標頻點下DUT的預期阻抗範圍。該平台並支援保存和複用給定夾具配置下的校準資料。但是，如果測量路徑或夾具發生實質性變化，建議重新校準以維持穩定的相關性和可重複性。

總之，ADMX2001模組為可擴展的LCR測量提供了一種實用的嵌入式建構模組：其體積精巧，可整合到DUT附近；可透過適合ATE系統的數位介面進行控制；得到校準流程的支援，能夠在因應量產的約束條件下，實現與桌上型器的穩定相關性。

成功客戶案例：多站點ATE晶圓測試系統中基於探針卡的LCR測量

本節介紹客戶的成功部署案例：ADMX2001 LCR模組被整合到主流多站點ATE環境中，實現了因應量產的阻抗測試。目標應用是汽車級特種電容的ESR測量。

原設定：外接桌上型LCR儀錶（基於線纜的配置）

如圖4所示，在客戶的原配置中，ESR和電容測量依賴於外接式桌上型LCR儀錶，後者透過線纜和額外的佈線連接到DUT區域。這種方法固然能提供大家所熟悉的參考測量，但也為ATE的使用帶來了一些限制。更長的互連路徑導致測量更容易受到寄生效應和相位誤差因素的影響，這對於小ESR測量的影響尤其明顯。此外，測量流程基本侷限於單站點循序執行。相較於其他已針對多站點操作進行優化的測試項目，這項測量成為了制約整體吞吐能力的瓶頸。

遷移策略：基於探針卡的嵌入式LCR模組

為了克服這些限制，客戶遷移到採用ADMX2001模組的基於探針卡的嵌入式LCR架構，如圖5所示。關鍵的系統級變化是將LCR測量功能移到更靠近DUT區域的位置，進而縮短有效測量路徑，減少對長線纜的依賴。這種設計方式也稱為「直接對接」。從量產整合角度來看，此舉有助於降低寄生不確定性，提高穩定性，並簡化多站點測試的擴展模型。

結果：多站點部署能力和吞吐能力提升

遷移後，LCR測量能力從單站點操作擴展到多站點（4到8個站點）操作，量產測試序列中的並行LCR/ESR測試得以實現。此舉緩解了順序測量瓶頸，提高了整體測試輸送量。

相關性總結：與桌上型參考儀器一致且多站點行為穩定

為了驗證測量完整性，客戶對基於探針卡的解決方案和原桌上型LCR儀錶進行了相關性檢查。結果如圖6所示。對比結果顯示，在預定篩選條件下，代表性元件的實測電容和ESR具有良好的一致性。此外，嵌入式解決方案在多站點操作中展現出穩定的性能，證明其適合量產部署，滿足量產對可重複性和相關性維護的嚴苛要求。

關鍵要點

本案例顯示，對於汽車級電容ESR測試而言，低阻抗敏感性和輸送量限制均非常重要。相較於傳統的外接式桌上型LCR儀錶配置，採用ADMX2001模組的嵌入式探針卡LCR方法能夠在相關性、可重複性和多站點可擴展性方面實現更為實用的平衡。

結論及未來展望

隨著ATE測試流程向更高的並行度和更深的參數覆蓋率演進，嵌入式LCR測量日益成為生產環境中的一種實用且可擴展的方法。相較於依賴外部儀器，直接在靠近DUT的位置進行阻抗測量有助於降低對寄生效應的敏感性，並在滿足輸送量要求的同時，支援可重複的篩選。

此一趨勢也與採用先進封裝技術的AI元件日益增加的需求相吻合。隨著封裝內整合的被動元件（如電容）日益增多，阻抗相關的特性表徵（常常在多站點和多接腳的測試條件下進行）變得更重要。此外，SiC/GaN和MOSFET測試也需要更高的偏置電壓。為了保持模組的精巧尺寸，我們正在探索將偏置電路整合到現有ADMX2001中的可行方法。

展望未來，模組化測量架構將是賦能下一代測試系統的重要技術。得益於可複製的LCR模組，測試系統能夠以可控的整合和驗證成本，輕鬆實現單站點到多站點的無縫擴展。因此，嵌入式LCR解決方案非常適合未來的ATE架構。

致謝

作者衷心感謝 ADI ISS 團隊，其提供的精巧型高精度模組為本研究的順利完成奠定了基礎。同時，特別感謝AE Slater Campbell給予的卓越技術支援和密切配合，其貢獻對我們現場團隊在ATE領域成功建置上述解決方案十分重要。