​RF Automated Production Test Strategien für Halbleiterhersteller

​Disruptive Technologietreiber wie 5G-Advanced, 6G-Forschung, ultragroßes MIMO, erweiterte RF-Frontend-Integration und AI-unterstützte Funksysteme tragen zum rasanten Wandel in der RF-Halbleiterindustrie bei (Abbildung 1). Diese Trends erfordern eine erhöhte Gerätekomplexität auf jeder Schicht, von Silizium und Verpackung bis hin zum Systemverhalten. Gleichzeitig zwingt der Marktdruck die Hersteller, Testzeit, Kosten und Mitarbeiterzahl zu reduzieren. Das Ergebnis: zunehmend schwierigere Gerätevalidierung mit schrumpfenden Produktionstestbudgets.

Abbildung 1. Zu den Markttreibern, die Investitionen in neue RF-Produkttestansätze motivieren, gehören eine erhöhte Gerätekomplexität, komprimierte Produktfreigabezeitpläne und weniger Personal.  

Im Gegensatz zu digitalen ICs erfordern RF-Geräte analoge, RF- und oft Over-the-Air-Messungen (OTA), die zeitaufwändiger und schwankungsempfindlicher sind. Die Komplexität der Kalibrierung steigt mit Frequenz, Bandbreite und Antennenanzahl. Traditionelle „Test Everything“-Philosophien werden wirtschaftlich nicht mehr tragfähig und zwingen neue Ansätze zur Testarchitektur, Abdeckung und Wiederverwendung während des gesamten Produktlebenszyklus.

​Von vollständig schlüsselfertigen ATE-Systemen wie dem NI Semiconductor-Testsystem (STS) bis hin zu hyperkundenspezifischen modularen RF-Testständen, die mit NI-PXI-Hardware und -Software erstellt wurden, erfüllen NI-RF-Produktionstestlösungen die hohen Anforderungen der heutigen Produktionsumgebung.

​Anstatt ein einzelnes Modell zu erzwingen, ermöglichen NI-Systeme es Kunden, den Grad der Integration, Standardisierung und Anpassung auszuwählen, der am besten zu ihren Produkten, Volumen und Lieferkettenstrategien passt. Diese Flexibilität macht die NI-Plattformen besonders relevant für RF-, Mixed-Signal- und MEMS-Geräte, die Testvolumen skalieren müssen, aber nicht in dem Maße, das einen herkömmlichen „Big Iron“-Tester gewinnbringend rechtfertigt.

​Dieses Whitepaper konzentriert sich auf die Entscheidungsfindung bei RF-Produktionstests.

• ​Schlüsselfertige ATE-Lösungen wie NI STS
• ​DIY RF automatisierte Produktionstestsysteme mit PXI-Produkten von NI
• Bolt-on-Strategien, die PXI-Systeme von NI mit ATE von Drittanbietern kombinieren

​Bei der Entwicklung ihrer RF-Produktionsteststrategie müssen Hersteller festlegen, wie RF-Tests so konzipiert werden, dass Produktkomplexität, Volumen und finanzielle Ziele in Einklang gebracht werden. Über die einfache Qualitätskontrolle hinaus wirken sich RF-Produktionstestentscheidungen direkt auf Rentabilität, Ertrag und Markteinführungszeit aus. Bei vielen RF-Geräten machen die Testkosten einen erheblichen Teil der Gesamtherstellungskosten aus, insbesondere bei hochvolumigen, margenschwächeren Komponenten wie RF-Schaltern, Verstärkern oder integrierten Frontend-Modulen.

​RF-Produktionstest muss den Durchsatz mit Genauigkeit ausbalancieren. Messungen wie Ausgangsleistung, Leistung des benachbarten Kanals (ACP), Fehlervektorgröße (EVM), Klirrfaktor, Rauschzahl und Linearität sind empfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen, Kalibrierung und Messgerätequalität. Wenn sich Gerätearchitekturen zu breiteren Bandbreiten und höheren Frequenzen entwickeln, verringert sich die Fehlertoleranz, während die Variationsempfindlichkeit steigt.

NI STS bietet eine schlüsselfertige ATE-Lösung für RF-, Mischsignal- und MEMS-Halbleiterbauelemente. STS basiert auf PXI-Instrumenten, ist aber als industrieller Testkopf erhältlich und lässt sich direkt in hochvolumige Halbleiterproduktionsumgebungen integrieren.

Die wichtigsten Merkmale von NI STS sind:

• Kompakter, geschlossener Prüfkopf für Werkshallen
• Native Integration mit Wafersonden, Handlern und Manipulatoren 
• Standardisierte Andock-, Ladeplatinen- und Federpin-Schnittstellen
• Vorintegrierte Software-Stacks für Testentwicklung, Ausführung und Datenverarbeitung
• Testmöglichkeiten für mehrere Standorte zur Optimierung des Volumendurchsatzes

STS ist eine kostenoptimierte Alternative zu herkömmlichem proprietärem ATE und bietet die mechanische Robustheit, Zuverlässigkeit und Standardisierung, die von ausgelagerten Halbleiter-Packaging- und Testdienstleistungen (OSAT) und Halbleiterherstellern (IDM) mit hohen Stückzahlen gefordert wird. 

​Am anderen Ende des Spektrums befinden sich automatisierte DIY-RF-Produktionstestlösungen, die auf PXI-Messgeräten, -Controllern, -Schaltmodulen und -Software von NI basieren. Testentwickler bauen RF-PXI-Produktionstestsysteme in der Regel selbst oder mit Hilfe von Systemintegratoren. Diese Systeme haben oft die Form:

• Kundenspezifische 19-Zoll-Racks
• ​Tischprüfgeräte
• Verteilte PXI-Systeme, die eng mit bestimmten Prüflingstypen gekoppelt sind 
• Hybride Lab-to-Production-Plattformen für alle Lebenszyklusphasen

​Der Kernvorteil von DIY PXI liegt in seiner Modularität und Offenheit. Ingenieure wählen nur die Instrumente und Fähigkeiten aus, die für ein bestimmtes Produkt erforderlich sind. Hardware und Software können schrittweise aktualisiert werden, so dass sich Systeme an Standards und Produktanforderungen anpassen können.

​Hersteller entscheiden sich in der Regel für automatisierte PXI-Produktionstestlösungen für RF-Portfolios, bei denen:

• ​Testanforderungen sind gut verstanden und stabil 
• Volumen ist hoch, aber Margen sind eng
• ​Flexibilität und schnelle Iteration überwiegen die Notwendigkeit einer vollständigen Standardisierung

​Obwohl diese Systeme sehr benutzerdefinierte Systeme sind, enthalten sie oft folgende Schlüssel-I/O:

​Chassis/Controller 

• PXIe-1095-Chassis: Unterstützt 18 Slots und ermöglicht damit hochdichte Konfigurationen mit mehreren Kanälen, ideal für komplexe RF-Systeme, die mehrere Instrumente erfordern. Bietet Kommunikation und Synchronisation zwischen Modulen mit hoher Bandbreite.
• PXIe-8862-Controller: Ausgestattet mit einem 8-Core Intel i7 Prozessor für schnelle Datenverarbeitung und Testausführung. Bewältigt rechenintensive Aufgaben wie digitale Vorverzerrung (DPD) und RF-Signalverarbeitung effizient.

​RF-Messgeräte

Vektorsignal-Transceiver (VST): Kombiniert Signalerzeugung und -analyse in einem Gerät, reduziert den Platzbedarf der Hardware und vereinfacht Testaufbauten.

• ​NI PXIe-5860 VST: Zweikanal-VST mit großer Bandbreite (bis zu 1 GHz) und Frequenzabdeckung bis zu 8,5 GHz, wodurch es für moderne drahtlose Standards wie Wi-Fi 6/7 und 5G New Radio geeignet ist.

• ​NI PXIe-5842 VST: Unterstützt eine höhere Momentanbandbreite (2 GHz) und erweiterte Frequenzbereiche (bis zu 54 GHz) und ist ideal für Anwendungen wie Radar, Satellitenkommunikation und Millimeterwellentests. 

​Vektornetzwerkanalysator (VNA)

• ​NI PXIe-5633 VNA: Bietet S-Parameter- und harmonische Verzerrungsmessungen. Neben der Stand-alone-Funktion arbeitet das Gerät auch im „Passthrough-Modus“ neben VSTs, um simultane modulierte Signal- und S-Parameter-Tests zu ermöglichen.

   

​Digital Pattern Instrument

• ​NI PXIe-6571: Bietet Hochgeschwindigkeits-Digital-I/O für die Steuerung von digitalen RF-Schnittstellen wie SPI- und MIPI-RF-Frontend und unterstützt die Mustererzeugung und -erfassung, wodurch eine zuverlässige Kommunikation mit dem Prüfling gewährleistet wird. 

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Gleichstromversorgungen/Source Measure Units (SMUs)

• NI PXIe-4147 SMU: Ermöglicht eine präzise Gleichstromversorgung mit bis zu 8 V und 3 A pro Kanal, ideal für die Stromversorgung von RF-Geräten. Umfasst fortgeschrittene Funktionen wie schnelle Transientenreaktion und genaue Stromüberwachung, die für die Gerätecharakterisierung unerlässlich sind.
• NI PXIe-4139 SMU: Bietet eine höhere Spannung (bis zu 60 V) und einen niedrigeren Strom (1 A), wodurch es für Geräte geeignet ist, die eine höhere Spannungsvorspannung erfordern.

• ​NI PXIe-4162/3: SMUs mit hoher Dichte und mehreren Kanälen, ideal für die Skalierung über mehrere Prüfling-Setups hinweg. Unterstützt präzise Beschaffung und Messung für parallele Testumgebungen. 

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Datenerfassung (DAQ)

​DAQs dienen zur externen Steuerung und Überwachung von Hilfssystemen wie Umgebungskammern oder mechanischen Vorrichtungen. Sie integrieren Nicht-RF-Signale in den Testablauf, z. B. Temperatur-, Vibrations- oder physikalische Zustandsüberwachung. Darüber hinaus gewährleisten DAQs einen synchronisierten Betrieb zwischen RF- und Nicht-RF-Systemen.

​Produktionsvolumen und Produktmix

​Produktionsumgebungen mit hohem Volumen und hoher Mischung profitieren von standardisierten ATE-Plattformen. NI STS zeichnet sich aus durch:

• ​Mehrere Produkte teilen sich eine gemeinsame Testinfrastruktur
• Umschulung von Bedienpersonal oder Neuqualifizierung von Testzellen ist kostspielig 
• ​OSAT-Verteilung erfordert Wiederholbarkeit über Standorte hinweg

​DIY PXI glänzt in engeren Anwendungsfällen, wie:

• ​Wenige RF-Produkte mit extrem hohen Stückzahlen
• ​Dedizierte Tester optimiert für eine einzige Geräteklasse 
• ​Situationen, in denen geringfügige Verbesserungen des Durchsatzes zu erheblichen Kosteneinsparungen führen

​Lieferkettenstrategie: IDM gegenüber OSAT

​Die Lieferkettenstrategie beeinflusst stark die Auswahl von RF-Produktionstests. OSAT-zentrierte Produktion bevorzugt schlüsselfertiges ATE wie STS aufgrund mechanischer Kompatibilität, Wartbarkeit und standardisierter Arbeitsabläufe. Interne IDM-Tests ermöglichen größere Freiheiten beim Einsatz benutzerdefinierter PXI-Systeme, insbesondere wenn Testentwicklung und Fertigung eng miteinander verknüpft sind.

​Viele große RF-Halbleiterunternehmen betreiben Hybridmodelle, die STS in OSATs verwenden, während automatisierte RF-PXI-Produktionstestsysteme intern für bestimmte Produkte oder Lebenszyklusphasen beibehalten werden. 

​Testkosten und Kapitaleffizienz

​Unternehmensführer betrachten Kapitaleffizienz oft als Dreh- und Angelpunkt für strategische Entscheidungen für automatisierte RF-Produktionstests. Bei RF-Bauteilen mit geringer Marge kann der Unterschied zwischen einem rentablen und einem nicht nachhaltigen Testbetrieb darin bestehen, dass ungenutzte Funktionen entfernt werden können.

​STS reduziert das Integrationsrisiko und die Entwicklungszeit in der Produktion sowie die Grundfläche, den Stromverbrauch und den Wartungsaufwand im Vergleich zu herkömmlichen ATE. DIY-PXI-Systeme verursachen zwar erhebliche Integrationskosten, reduzieren jedoch anfängliche Investitionsausgaben, Instrumentenredundanz und das langfristige Veraltungsrisiko. 

​Engineering - Steuerung und Anpassungsfähigkeit 

​DIY-PXI-Produktionstestlösungen bieten Hyper-Customization und zukunftssichere Flexibilität. Sie ermöglichen maximale technische Kontrolle, einschließlich:

• Sofortiger Zugriff auf neue RF-Instrumente
• Schnelle Unterstützung für neue Standards
• Benutzerdefinierte Testabläufe, die auf bestimmte Prüflingsverhalten zugeschnitten sind 

​Im Gegenzug müssen Hersteller, die diese Strategie anwenden, einen erheblichen technischen Aufwand übernehmen (Abbildung 2). 

​Für ATE-Anwender bietet STS extreme Flexibilität für:

• Produktionsrobustheit
• Schnellere Skalierung 
• ​Reduzierte Abhängigkeit von spezialisierter technischer Kompetenz nach dem Einsatz

Abbildung 2. DIY-RF-PXI-Lösungen und STS-ATE-Optionen bieten Vorteile und Kompromisse. Der DIY-Ansatz bietet die größte Vielseitigkeit, geht jedoch auf Kosten der Skalierbarkeit und Wartung, während STS Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit bietet, aber Flexibilität einschränkt.

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Organisation und Kompetenzen

​Budgetkürzungen und demografische Verschiebungen bei der Belegschaft treiben die Aushöhlung der Testteams in der gesamten Branche voran. Diese bedauerliche Realität beeinflusst auch den strategischen Ausblick für den RF-Produktionstest.

​Schlüsselfertige ATE-Lösungen wie STS reduzieren die Abhängigkeit von tiefgreifendem RF-Systemintegrationswissen, benutzerdefiniertem mechanischem Design und langfristiger Wartung durch spezialisiertes Personal. Andererseits erfordern DIY-PXI-Systeme hochqualifizierte RF- und Testingenieure, eine starke interne Software-Governance und die Bereitschaft, ein Systemlebenszyklusrisiko einzugehen.

​Einige Organisationen entscheiden sich bewusst für STS, um technische Bandbreite für die Entwicklung von Design und Algorithmus zu erhalten, anstatt Infrastrukturwartung. 

Die meisten Hersteller wählen Strategien, die ATE, benutzerdefinierte APT oder ein Verhältnis von beiden priorisieren. Eine wachsende Minderheit der Hersteller setzt jedoch auf Bolt-On-Strategien und nutzt NI-PXI-Systeme zusammen mit ATE von Drittanbietern.

Gängige Beispiele sind:

• PXI-basierte RF-Subsysteme in bestehende ATE-Flows integriert
• PXI für komplexe oder neu entstehende Messungen außerhalb der Haupttester 
• PXI-Systeme, die als goldene Referenzen oder Charakterisierung dienen, korrelieren

Dieser Ansatz ermöglicht es Unternehmen, bestehende ATE-Investitionen zu verlängern und neue RF-Funktionen einzuführen, ohne bestehende ATE-Plattformen vollständig zu ersetzen.

NI PXI eignet sich aufgrund seines offenen Softwaremodells und seines breiten RF-Instrumentierungsökosystems besonders gut für diese Rolle.

Unabhängig von der Plattformwahl ist die Reduzierung der Testzeit ein universelles Ziel. Wichtige Branchentrends, die den RF-Produktionstest beeinflussen, sind:

• Strategien zur Messverdichtung
• Statistische und inferenzbasierte Tests
• AI-gestützte Kalibrierung und Testauswahl
• Verstärkter Schwerpunkt auf KPIs auf Systemebene gegenüber vollständiger parametrischer Abdeckung

STS und DIY PXI unterstützen diese Strategien unterschiedlich. STS bietet strukturierte Umgebungen, um standardisierte Optimierungen skalieren zu können, während DIY PXI die Freiheit bietet, schnell Prototypen zu erstellen und aggressive, produktspezifische Techniken zu implementieren.

Ein weiterer Unterschied besteht darin, wie Testplattformen den Produktlebenszyklus abbilden. DIY PXI umfasst oft Designvalidierung, Charakterisierung und frühe Produktion, während STS in der Großserienfertigung mit langen Lebensdauern und Bereitstellungen an mehreren Standorten überzeugt.

Viele Kunden wechseln bewusst von DIY PXI zu STS, wenn die Produkte reifen, und verwenden Test-IP, während sie den mechanischen und betrieblichen Wrapper ändern.

Der automatisierte RF-Produktionstest steht im Mittelpunkt der Halbleiterökonomie. Während Produktionsumgebungen geringere Kosten, schnelleren Durchsatz und kleinere Teams erfordern, erfordern neue Technologien komplexere Geräte. Keine einzige Testarchitektur erfüllt alle Bedingungen.

Schlüsselfertige ATE-Plattformen wie das NI Semiconductor-Testsystem bieten Robustheit, Standardisierung und Skalierbarkeit. Damit eignen sie sich gut für den OSAT-Einsatz und die Serienfertigung komplexer RF-Portfolios. DIY-RF-Produktionstestsysteme, die auf NI PXI basieren, bieten dagegen unübertroffene Flexibilität, Kostenoptimierung und Anpassungsfähigkeit. Diese Anpassungen sind ideal für spezielle High-Runner-Produkte, interne IDM-Tests und schnelle Reaktionen auf neue RF-Standards.

Einige Halbleiterhersteller setzen auf Bolt-On-Modelle: Sie kombinieren ATE- und Bolt-On-PXI-Subsysteme, um die Teststrategie mit der Produktökonomie in Einklang zu bringen. Trends wie AI-unterstützte Tests, schlussfolgerungsbasierte Abdeckung und engere Kopplung zwischen Design und Fertigung werden die Grenzen zwischen ATE und modularen Testsystemen weiter verwischen. Der Erfolg im RF-Produktionstest gehört Ingenieuren, die die richtige Architektur an der richtigen Stelle im Produktlebenszyklus einsetzen.

Automatisierte RF-Produktionstests gewinnen an Bedeutung für die Halbleiterrentabilität. RF-Geräte arbeiten jetzt mit höheren Frequenzen, breiteren Bandbreiten und strengeren Toleranzen – und das bei geringeren Produktionsbudgets und weniger Personal. Es gibt keine einzige Teststrategie, die für jeden Hersteller geeignet ist. Der Erfolg hängt davon ab, ob das Testsystem an Produktionsvolumen, Lieferkette und Produktlebenszyklusanforderungen angepasst ist. Letztendlich ist die Auswahl der richtigen Kombination der in diesem Beitrag behandelten Teststrategien der Schlüssel zur Anpassung an die sich verändernden Produktionsanforderungen und zum nachhaltigen Erfolg in der Halbleiterfertigung.

​Weitere Informationen zu RF-Produktionstestlösungen von NI finden Sie unter sts@emerson.com.

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