​Stratégies de test en production automatisée RF pour la fabrication de semi-conducteurs

​Les drivers technologiques perturbateurs tels que la 5G-Advanced, la recherche 6G, le MIMO ultra-large, l’intégration avancée de frontaux RF et les radios assistées par l’AI contribuent tous au rythme toujours rapide des changements dans la fabrication de semi-conducteurs RF (Figure 1). Ces tendances exigent une complexité accrue des dispositifs à chaque couche, du silicium et de l’assemblage au comportement du système. Parallèlement, la pression du marché pousse les fabricants à réduire le temps de test, les coûts et les effectifs. Résultat : une validation des dispositifs de plus en plus difficile avec des budgets de test en production qui diminuent.

Figure 1. Les facteurs du marché qui motivent les investissements dans de nouvelles approches de test de produits RF incluent la complexité accrue des dispositifs, les délais de commercialisation des produits compressés et la réduction du personnel.  

Contrairement aux circuits intégrés numériques, les dispositifs RF nécessitent des mesures analogiques, RF et souvent sans fil (OTA) qui sont intrinsèquement plus longues et sensibles aux variations. La complexité de l’étalonnage augmente avec la fréquence, la bande passante et le nombre d’antennes. Les philosophies traditionnelles de « tout tester » deviennent économiquement non viables, forçant de nouvelles approches de l’architecture, de la couverture et de la réutilisation des tests tout au long du cycle de vie des dispositifs.

​Les solutions de test en production RF de NI répondent aux besoins rigoureux de l’environnement de production actuel, des systèmes ATE entièrement clés en main tels que le Système de test de semi-conducteurs (STS) de NI aux bancs de test RF modulaires hyper-personnalisés construits à l’aide du matériel et des logiciels PXI de NI.

​Au lieu de forcer un modèle unique, les systèmes NI permettent aux clients de choisir le niveau d’intégration, de standardisation et de personnalisation qui correspond le mieux à leurs produits, volumes et stratégies de chaîne d’approvisionnement. Cette flexibilité rend les plates-formes NI particulièrement pertinentes pour les périphériques RF, à signaux mixtes et MEMS qui ont besoin d’une échelle de volume de test, mais pas au point de justifier de manière rentable un testeur conventionnel « big iron ».

​Ce white paper se concentre sur la prise de décision de test en production RF, en comparant les raisons pour lesquelles les clients choisissent :

• ​Solutions ATE clés en main telles que NI STS
• ​Systèmes de test en production automatisés DIY RF construits avec les produits NI PXI
• Stratégies boulonnées combinant des systèmes NI PXI avec des ATE tiers

​Lors du développement de leur stratégie de test en production RF, les fabricants doivent déterminer comment concevoir le test RF de manière à équilibrer la complexité du produit, les volumes et les objectifs financiers. Au-delà du simple contrôle qualité réussite ou échec, les décisions de test en production RF ont un impact direct sur la rentabilité, le rendement et le délai de mise sur le marché. Pour de nombreux périphériques RF, le coût de test représente une part importante du coût total de fabrication, en particulier pour les composants à grand volume et à marge plus faible tels que les commutateurs RF, les amplificateurs ou les modules frontaux intégrés.

​Le test en production RF doit équilibrer le débit avec précision. Les mesures telles que la puissance de sortie, la puissance de voie adjacente (ACP), l’amplitude du vecteur d’erreur (EVM), la distorsion harmonique, le bruit et la linéarité sont sensibles aux conditions environnementales, à l’étalonnage et à la qualité de l’instrumentation. À mesure que les architectures de périphériques évoluent vers des bandes passantes plus larges et des fréquences plus élevées, la tolérance aux erreurs se réduit tandis que la sensibilité aux variations augmente.

Le STS de NI offre une solution ATE clé en main pour les dispositifs semi-conducteurs RF, à signaux mixtes et MEMS. Basé sur l’instrumentation PXI mais présenté comme une tête de test industrielle, le STS s’intègre directement dans les environnements de production de semi-conducteurs en grand volume.

Les principales caractéristiques de NI STS incluent :

• Une tête d’essai compacte et fermée adaptée aux usines
• Intégration native avec les probers, handlers et manipulateurs de wafer 
• Ancrage standardisé, cartes d'interface et interfaces broche-ressort
• Piles logicielles pré-intégrées pour le développement, l’exécution et la gestion des données de test
• Capacité de test multisite pour une optimisation du débit à grand volume

Alternative rentable aux ATE propriétaires conventionnels, le STS offre la robustesse mécanique, la fiabilité et la standardisation requises par les fournisseurs externalisés d’assemblage et de test de semi-conducteurs (OSAT) et les fabricants de dispositifs intégrés (IDM) en grand volume. 

​À l’opposé du spectre se trouvent les solutions de test automatique en production RF DIY construites à partir d’instruments, de contrôleurs, de commutation et de logiciels NI PXI. Les ingénieurs de développement de tests construisent généralement des systèmes de test en production PXI RF en interne ou avec l’aide d’intégrateurs de systèmes. Ces systèmes prennent souvent la forme de :

• Racks 19 pouces personnalisés
• ​Testeurs en production sur table
• Systèmes PXI distribués étroitement couplés à des types de matériel sous test (DUT) spécifiques 
• Plateformes hybrides de laboratoire à production partagées tout au long du cycle de vie

​Le principal avantage du DIY PXI réside dans sa modularité et son ouverture. Les ingénieurs sélectionnent uniquement les instruments et les capacités requis pour un produit donné, ce qui évite un approvisionnement excessif. Le matériel et les logiciels peuvent être mis à niveau progressivement, ce qui permet aux systèmes d’évoluer en fonction des normes et des besoins des produits.

​Les fabricants optent généralement pour des solutions de test automatique en production PXI DIY pour les portefeuilles RF où :

• ​Les exigences de test sont bien comprises et stables 
• Les volumes sont élevés mais les marges sont étroites
• ​La flexibilité et l’itération rapide l’emportent sur la nécessité d’une standardisation complète

​Bien que ces systèmes soient hautement personnalisés, ils incluent souvent les E/S clés suivantes :

​Contrôleur/châssis 

• Châssis PXIe-1095 : Prend en charge 18 emplacements, permettant des configurations multivoies haute densité idéales pour les systèmes RF complexes nécessitant plusieurs instruments. Fournit une communication et une synchronisation à large bande passante entre les modules.
• PXIe-8862 Contrôleur: Équipé d’un processeur Intel i7 à 8 cœurs pour un traitement des données et une exécution de test rapides. Gère efficacement des tâches de calcul intensif telles que la pré-distorsion numérique (DPD) et le traitement du signal RF.

​Instruments RF

Transcepteur de signaux vectoriels (VST) : Combine la génération et l’analyse de signaux dans un seul périphérique, réduisant l’encombrement matériel et simplifiant les configurations de test.

• ​NI PXIe-5860 VST : Un VST à deux voies avec une large bande passante (jusqu'à 1 GHz) et une couverture de fréquence jusqu'à 8,5 GHz, ce qui le rend adapté aux normes sans fil modernes telles que Wi-Fi 6/7 et 5G New Radio.

• ​NI PXIe-5842 VST : Prend en charge une bande passante instantanée plus élevée (2 GHz) et des gammes de fréquences étendues (jusqu'à 54 GHz) et convient parfaitement aux applications telles que les radars, les communications par satellite et les tests d'ondes millimétriques. 

​Analyseur de réseau vectoriel (VNA)

• ​NI PXIe-5633 VNA : Fournit des mesures de paramètres S et de distorsion harmonique ; en plus de la fonctionnalité autonome, cet instrument fonctionne également en « mode pass-through » aux côtés des VST pour permettre le test simultané de signaux modulés et de paramètres S.

   

​Instrument de pattern numérique

• ​NI PXIe-6571 : Fournit des E/S numériques haute vitesse pour contrôler les interfaces RF numériques, telles que le frontal RF SPI et MIPI, et prend en charge la génération et la capture de patterns, garantissant une communication fiable avec le DUT. 

​

Alimentations et unités de source et mesure CC

• NI PXIe-4147 SMU : Permet une source d’alimentation CC de précision jusqu’à 8 V et 3 A par voie, idéale pour alimenter les périphériques RF sous test. Inclut des fonctionnalités avancées telles que la réponse transitoire rapide et la surveillance précise du courant, qui sont essentielles pour la caractérisation du périphérique.
• NI PXIe-4139 SMU : Offrant une tension plus élevée (jusqu'à 60 V) et un courant plus faible (1 A), il convient aux appareils nécessitant une polarisation de tension plus élevée.

• ​NI PXIe-4162/3 : SMU haute densité avec plusieurs voies, idéal pour une mise à l’échelle sur des configurations multi-DUT. Prend en charge un approvisionnement et des mesures précis pour les environnements de test parallèles. 

​

Acquisition de données (DAQ)

​Les DAQ fournissent un contrôle et une surveillance externes pour les systèmes auxiliaires, tels que les chambres environnementales ou les appareils mécaniques. Ils intègrent des signaux non RF dans le flux de travail de test, tels que la température, les vibrations ou la surveillance de l’état physique. De plus, les DAQ assurent un fonctionnement synchronisé entre les systèmes RF et non RF.

​Volume de production et mix produit

​Les environnements de production à volume et mixité élevés bénéficient de plates-formes ATE standardisées. NI STS excelle lorsque :

• ​Plusieurs produits partagent une infrastructure de test commune
• Le recyclage des opérateurs ou la requalification des cellules de test sont coûteux 
• ​Le déploiement OSAT nécessite une répétabilité sur plusieurs sites

​DIY PXI brille dans des cas d’utilisation plus étroits, tels que :

• ​Un petit nombre de produits RF avec des volumes extrêmement élevés
• ​Testeurs dédiés optimisés pour une seule classe de périphériques 
• ​Situations dans lesquelles des améliorations marginales du débit permettent de réaliser des économies significatives

​Stratégie de la chaîne d'approvisionnement : IDM versus OSAT

​La stratégie de la chaîne d’approvisionnement influence fortement les choix de test en production RF. La production centrée sur l’OSAT favorise les ATE clés en main comme le STS en raison de la compatibilité mécanique, de la facilité d’entretien et des flux de travail standardisés. Le test IDM en interne permet une plus grande liberté de déploiement de systèmes PXI personnalisés, en particulier lorsque le développement de tests et la fabrication sont étroitement liés.

​De nombreuses grandes entreprises de semi-conducteurs RF exploitent des modèles hybrides, utilisant le STS dans les OSAT tout en conservant les systèmes de test en production automatisés PXI RF en interne pour des produits spécifiques ou des étapes du cycle de vie. 

​Coût des tests et efficacité du capital

​Les chefs d’entreprise considèrent souvent l’efficacité du capital comme le facteur clé des décisions de stratégie de test de production automatique RF. Pour les pièces RF à faible marge, la différence entre une opération de test rentable et une opération non durable peut reposer sur la capacité de supprimer les capacités inutilisées.

​Le STS réduit les risques d’intégration et le temps d’ingénierie en production, ainsi que l’espace au sol, l’alimentation et les frais généraux de maintenance par rapport aux anciens ATE. Tout en entraînant des dépenses d’intégration importantes, les systèmes PXI de bricolage réduisent les dépenses d’investissement initiales, la redondance des instruments et le risque d’obsolescence à long terme. 

​Contrôle technique et adaptabilité 

​Les solutions de test en production PXI DIY offrent une hyper-personnalisation et une flexibilité pérenne. Ils permettent un contrôle technique maximal, notamment :

• Accès immédiat à une nouvelle instrumentation RF
• Support rapide des normes émergentes
• Flux de test personnalisés adaptés aux comportements spécifiques des DUT 

​En contrepartie, les fabricants qui adoptent cette stratégie doivent assumer des frais généraux d’ingénierie importants (figure 2). 

​Pour les adoptants d’équipements de test automatique, le STS est un compromis entre une flexibilité extrême et :

• Robustesse de la production
• Mise à l'échelle plus rapide 
• ​Réduction de la dépendance à l’égard de l’expertise technique spécialisée une fois déployé

Figure 2. Les solutions PXI RF DIY et les options ATE STS offrent à la fois des avantages et des compromis. L’approche DIY offre la plus grande polyvalence, mais au détriment de l’évolutivité et de la maintenance, tandis que le STS offre fiabilité et évolutivité, mais limite la flexibilité.

​

Considérations relatives à l'organisation et aux compétences

​Les coupes budgétaires et les changements démographiques de la main-d’œuvre entraînent tous deux le creusement des équipes de test dans l’industrie. Cette fâcheuse réalité affecte également les perspectives stratégiques des tests en production RF.

​Les solutions ATE clés en main telles que le STS réduisent la dépendance aux connaissances approfondies en matière d’intégration de systèmes RF, à la conception mécanique personnalisée et à la maintenance à long terme par du personnel spécialisé. D’autre part, les systèmes PXI de bricolage nécessitent des ingénieurs RF et de test hautement qualifiés, une gouvernance logicielle interne solide et une volonté d’appropriation du risque lié au cycle de vie du système.

​Certaines organisations choisissent délibérément le STS pour préserver la bande passante ingénieur pour la conception et le développement d'algorithmes plutôt que pour la maintenance de l'infrastructure. 

La plupart des fabricants choisissent des stratégies qui donnent la priorité à l’ATE, à l’APT personnalisé ou à un rapport des deux. Cependant, une minorité croissante de fabricants adopte des stratégies de verrouillage, utilisant des systèmes NI PXI avec des ATE tiers.

Les exemples courants sont :

• Sous-systèmes RF basés sur PXI intégrés aux flux ATE existants
• PXI utilisé pour les mesures complexes ou émergentes transférées des principaux testeurs 
• Systèmes PXI servant de références dorées ou de corrélations de caractérisation

Cette approche intégrée permet aux entreprises de prolonger la durée de vie des investissements ATE existants et d’introduire de nouvelles capacités RF sans remplacer complètement les plates-formes ATE existantes.

NI PXI est particulièrement bien adapté à ce rôle en raison de son modèle logiciel ouvert et de son large écosystème d’instrumentation RF.

Quel que soit le choix de la plate-forme, la réduction du temps de test est un objectif universel. Les principales tendances de l’industrie qui influencent les tests en production RF incluent :

• Stratégies de compactage des mesures
• Test statistique et basé sur l’inférence
• Étalonnage assisté par IA et sélection des tests
• Accent accru mis sur les indicateurs clés de performance au niveau du système plutôt que sur une couverture paramétrique exhaustive

STS et DIY PXI supportent ces stratégies différemment. STS fournit des environnements structurés pour déployer des optimisations standardisées à grande échelle tandis que DIY PXI offre la liberté de prototyper et de déployer rapidement des techniques agressives spécifiques aux produits.

Un autre facteur de différenciation est la manière dont les plates-formes de test s’adaptent au cycle de vie du produit. DIY PXI couvre souvent la validation de la conception, la caractérisation et la production précoce, tandis que STS excelle dans la production en grand volume avec de longues durées de vie de fabrication et des déploiements multisites.

De nombreux clients passent délibérément du PXI de bricolage au STS à mesure que les produits mûrissent, réutilisant l’IP de test tout en changeant le wrapper mécanique et opérationnel.

Le test en production automatisé RF est au centre de l’économie des semi-conducteurs. Alors que les environnements de production exigent des coûts plus bas, un débit plus rapide et des équipes plus petites, les technologies émergentes nécessitent des dispositifs plus complexes. Aucune architecture de test ne répond à toutes les contraintes.

Les plates-formes ATE clés en main telles que le Système de test de semi-conducteurs NI offrent une robustesse, une standardisation et une évolutivité prêtes à l’emploi. Cela les rend bien adaptés au déploiement OSAT et à la fabrication en grand volume de portefeuilles RF complexes. En revanche, les systèmes de test en production RF DIY basés sur NI PXI offrent une flexibilité, une optimisation des coûts et une adaptabilité inégalées. Ces personnalisations sont idéales pour les produits dédiés high-runner, les tests IDM en interne et la réponse rapide aux normes RF émergentes.

Certains fabricants de semi-conducteurs adoptent des modèles « à vis » : la combinaison de sous-systèmes ATE et PXI à vis pour aligner la stratégie de test sur l’économie du produit. À l’avenir, des tendances telles que les tests assistés par l’IA, la couverture basée sur l’inférence et le couplage plus étroit entre la conception et la fabrication brouilleront davantage les frontières entre les systèmes de test automatique et modulaires. Le succès des tests en production RF dépendra des ingénieurs qui déploient la bonne architecture au bon moment du cycle de vie du produit.

Les tests en production automatisés RF deviennent plus importants pour la rentabilité des semi-conducteurs. Les périphériques RF fonctionnent désormais à des fréquences plus élevées, des bandes passantes plus larges et des tolérances plus strictes, le tout alors que les budgets de production et les effectifs diminuent. Il n’existe pas de stratégie de test unique adaptée à chaque fabricant ; le succès dépend de l’adéquation du système de test au volume de production, à la chaîne d’approvisionnement et aux besoins du cycle de vie du produit. En fin de compte, choisir la bonne combinaison des stratégies de test couvertes dans cet article est essentiel pour s’aligner sur l’évolution des besoins de production et obtenir un succès durable dans la fabrication de semi-conducteurs.

​Pour en savoir plus sur les solutions de test en production RF NI, contactez nos experts techniques à sts@emerson.com.

• En savoir plus sur les solutions de fabrication en production à grand volume
• Explorer le Système de test de semi-conducteurs (STS)
• Découvrir les systèmes NI PXI