既存​設備​と​PXI​を​組み合わせ​て、​少量​生産​の​LSI​向け​に​検査​システム​を​構築

成田 信幸​氏, 株式会社​シスウェーブ システム・​ソリューション​事業部 技術​担当​部長​(現・​開発​管理​室)

 

"RF​機能​を​備える​少量​生産​の​LSI​向け​に​検査​システム​を​構築​する​場合、​コスト​の​観点​から、​既存​の​装置​を​利用​し​つつ、​不足​する​装置​だけ​を​買い​足​し​て​それら​を​連携​させる​こと​が​現実​的​な​アプローチ​と​なる。​追加​で​購入​する​装置、​ならびに​各​装置​を​連携​させる​仕組み​として​は、​PXI​が​最適​な​選択肢​だ。 "

- 成田 信幸​氏, 株式会社​シスウェーブ システム・​ソリューション​事業部 技術​担当​部長​(現・​開発​管理​室)

課題:

RF​機能​を​備える​少量​生産​の​LSI​向け​に、​非常​に​高価​な​LSI​テスター​の​アナログ​計測​用​オプション​を​使用​する​こと​なく、​検査​システム​を​短期間​で​構築​する。

ソリューション:

安価​な​RF​信号​発生​用​PXI​モジュール​を​購入​し、​それ​を​既存​の​LSI​テスター、​スペクトル​アナ​ラ​イザ​と​組み合わせ​て​検査​システム​を​構築​する。​制御/​データ​処理​の​プログラム​は​LabVIEW​によって​開発​する​こと​で、​開発​工数​を​最小限​に​抑える。

【背景】


​LSI​は、​本質​的​に​は​大量​生産​を​前提​と​した​もの​で​ある。​しかし、​実際​に​は​必ずしも​大量​に​生産​する​わけ​では​ない​の​に、​回路​の​実装​形態​として、​LSI​化​を​選択​せ​ざる​を​得​ない​こと​も​ある。​端的​な​例​として​は、​汎用​の​電子​部品​や​IC​を​ディスク​リート​構成​で​使用​する​の​では、​実装​スペース​や​消費​電力​の​面​で​機器​の​要求​仕様​を​満足​でき​ない​という​ケース​が​挙​げ​られる。​この​よう​な​場合、​それらの​問題​を​解決​する​ため​に、​必要​な​機能​を​備える​ASIC​を​設計​する​ことに​なる。



​この​よう​な​背景​から​LSI​の​少量​生産​を​選択​した​場合、​大きな​課題​に​直面​する​こと​が​ある。​その​課題​と​は、​その​LSI​の​テスト​(出荷​検査)​を​どの​よう​にし​て​実現​する​の​か​という​こと​で​ある。

 

現在、​LSI​について​は、​設計/​製造​の​水平​分業​化​が​進​んで​いる。​大量​生産​の​製品​の​場合​でも、​出荷​検査​は、​その​LSI​を​設計​した​の​と​は​別​の​会社​(テスト​ハウス​など)​に​委託​さ​れる​こと​が​多い。​ただ、​テスト​ハウス​側​にとって、​少量​生産​品​の​検査​を​請け負う​の​は​ありがたい​こと​では​ない。​LSI​の​設計/​開発​に​コスト​が​かかる​の​と​同様​に、​テスト​の​開発、​検査​の​実施​に​も​コスト​が​かかる​ので、​大量​に​検査​を​請け負う​こと​が​前提​でなければ、​採算​が​と​れ​なくなる​可能性​が​ある​からだ。

 

この​事例​で​紹介​する​機器​メーカー​は、​まさに​この​よう​な​課題​に​直面​し​てい​た。​その​メーカー​は​自社​の​機器​向け​に​LSI(ASIC)​を​設計​した。​その​生産​数量​は​月​に​2000​~​3000​個​の​レベル​に​とどまる。​その​LSI​の​構成​は、​大まか​に​言​え​ば​図​1​に示すようなものだった。​CPU​と​ロジック​回路​で​構成​さ​れる​デジタル​ブロック​と、​4​つ​の​RF​ミキサー​回路​で​構成​さ​れる​アナログ​ブロック​を​備える​デジタル/​アナログ​混​載​型​の​デバイス​で​ある。​デジタル​ブロック​と​アナログ​ブロック​の​機能​は​基本​的​に​独立​し​て​おり、​ミキサー​回路​は​単​機能/​独立​の​回路​ブロック​として​存在​し​てい​た。

 

また、​この​LSI​は、​最終​的​な​機器​において​ベア​チップ​の​状態​で​使用​し、​特殊​な​接続​方法​で​実装​する​ことに​な​って​い​た。​そのため、​LSI​の​最終​検査​は、​ウェーハ​の​状態​で​行う​必要​が​あっ​た。​この​検査​システム​の​開発​と​検査​を​受託​した​の​が​当社​(シスウェーブ)​で​ある。

 

【課題】


​当社​は、​少量/​多​品種​の​開発​に​対応​可能​な​検査​サービス​を​包括​的​に​提供​する​「テスト​センター​事業」​を​1​つ​の​柱​として​いる。​テスト​用​ボード​や​プローブカード​の​設計、​テスト​プログラム​の​開発​だけ​で​なく、​パッケージ​品/​ウェーハ​の​出荷​検査​も​含​め​て​受託​し​て​いる。​そのため​の​設備​として、​LSI​テスター​(ATE:LSI​用​の​自動​検査​装置)​の​ほか、​クリーン​ルーム、​プローバ、​サーモストリーマ​など​も​保有​し​て​いる。​ただ、​従来​は​主に​デジタル​LSI​の​テスト​を​ターゲット​として​おり、​LSI​テスター​について​も、​アナログ計測用のオプションは所有していなかった。


​この​プロジェクト​で​最も​大きな​課題​に​な​っ​た​の​は、​いかに現実的なコストで検査システムを構築するかということだった。​LSI​テスター​の​アナログ​計測​用​オプション​は​非常​に​高価​で​あり、​すぐ​に​数​千万​円​の​オーダー​に​達し​て​しまう。​そこで、​手持ち​の​装置​を​利用​し​つつ、​不足​する​もの​だけ​を​買い​足す​こと​で、​低​コスト​かつ​短期間​の​うち​に​検査​システム​を​構築​しよう​と​考え​た。​具体​的​に​は、​LSI​テスター​と​スペクトル​アナ​ラ​イザ​は​すでに​保有​し​てい​た​ので、​信号​発生​用​の​装置​と​各​装置​を​連携​させる​ため​の​仕組み​を​追加​で​用意​する​ことに​した。

 

【ソリューション/​効果】

上述​した​アプローチ​で​検査​システム​を​構築​する​ため​に、​当社​は​ナショナル​イン​ス​ツル​メンツ​(NI)​の​PXI​製品​を​導入​する​ことに​した。​当社​が​構築​した​検査​システム​は​図​2​に​示す​よう​な​もの​で​ある。​この​システム​は​図​3​の​よう​な​要素​から​構成​さ​れ​て​いる。​図​3​の​左上​が​既存​の​LSI​テスター​(横​河​電機​の​「TS6000H」)、​左下​が​NI​の​PXI​シャー​シ、​右上​が​ウェーハ​検査​の​ため​の​プローバ、​右下​が​既存​の​スペクトル​アナ​ラ​イザ​で​ある。​PXI​シャー​シ​に​は、​1.3GHz​まで​の​RF​信号​を​発生​できる​モジュール​「NI PXI-5650」​を​2​台​配置​し​て​いる。​各​装置​の​連携​は​GPIB​を​利用​し​て​行う。

 

実際​の​検査​では、​まず​LSI​テスター​を​使用​し​て、​通常​の​デジタル​LSI​の​場合​と​同じ​要領​で​デジタル​ブロック​の​テスト​を​行う。​続​い​て、​PXI​と​スペクトル​アナ​ラ​イザ​を​使用​し​て​アナログ​ブロック​の​テスト​を​実施​する。​具体​的​に​は、​通常​の​ミキサー​の​テスト​と​同様​の​こと​を​行う。​すなわち、​ミキサー​回路​に​周波数​の​異なる​2​つ​の​信号​を​入力​し、​その​出力​を​評価​する​という​こと​で​ある。


​ミキサー​回路​では、​周波数​が​それぞれ​A、​B​の​2​つ​の​信号​を​入力​すると、​A​+​B、​A​-​B​の​周波数​成分​を​含む​出力​信号​が​得​られる。​そこで、​1​つ​の​ミキサー​回路​に対して、​2​台​の​RF​信号​発生​器​(NI PXI-5650)​から​周波数​の​異なる​信号​を​入力​し、​その​出力​を​スペクトル​アナ​ラ​イザ​に​取り​込​んで、​周波数​応答​(周波数​と​ゲイ​ン)​を​測定​する。​その​結果​を​PXI​に​引き渡し、​データ​処理​を​行​って、​値​が​許容​範囲​内​に​ある​か​否​か​を​判定​する。​その​判定​結果​は、​PXI​の​デジタル​I/​O​から、​LSI​テスター​の​I/​O​ピン​に​デジタル​信号​として​引き​渡​さ​れる。​例えば、​許容​範囲​内​に​あれ​ば​デジタル​I/​O​から​ハイ​を​出力​し、​許容​範囲​を​外れ​てい​れ​ば​ロー​を​出力​する​といった​ルール​を​定めて​おき、​その結果を受け取った​LSI​テスター​が​最終​的​な​合否​判定​を​行う​という​仕組み​で​ある。​LSI​は​4​つ​の​ミキサー​回路​を​搭載​し​て​いる​ので、​リレー​の​切り替え​によって​RF​信号​線​を​制御​し、​それぞれ​に対して​計測​を​行う。​なお、​図​3​では​LSI​テスター​と​PXI​の​間​を​15​ビット​の​信号​線​で​結​んで​いる​が、​その​内訳​は​制御​用​が​5​ビット、​データ​取得​用​が​10​ビット​と​なる。​ここ​で​言う​データ​取得​と​は、​スペクトル​アナ​ラ​イザ​で​の​測定​値​そのもの​を​LSI​テスター​に​取り込む​という​意味​で​ある。​この​データ​取得​は​評価/​デバッグ​用​の​もの​で​あり、​実際​の​検査​では​使用​しない。


​また、​この​プロジェクト​では、​RF​入出力​信号​を​扱う​ため​に、​プローブカード​用​の​専用​基板​も​開発​した​(図​4)。​RF​信号​線​に​は​同軸​ケーブル​を​使う​とともに、​コイル、​コンデンサ、​バラ​ン​など、​RF​計測​に​必要​な​外部​部品​を​実装​し​て​いる​(図​5)。​なお、​ミキサー​回路​に​入力​する​信号​の​周波数​として、​顧客​から​は​1GHz​帯を要望された。​だが、​ウェーハ​検査​では​プローブ​(針)​による​信号​の​減衰​が​大​きく、​実現​が​困難​で​あっ​た​ため、​入力​信号​の​周波数​は​400MHz​帯​に​とど​め​た。

 

アナログ​テスト​の​検査​系​は、​1​カ月​も​かける​こと​なく​立ち​上げる​こと​が​でき​た。​このように​短期​開発​を​実現​でき​た​要因​は、​PXI​と​LabVIEW​を​利用​し​て​検査​システム​を​構成​した​こと​だ。​PXI​では、​信号​の​生成、​システム​制御​に​加​え、​取得​した​データ​を​基​に​合否​判定​を​行う​ため​の​処理​を​行う。​これらの​処理​は​LabVIEW​で​開発​した​プログラム​によって​実現​した。​PXI​の​プログラミング​担当​者​は、​PXI​と​LabVIEW​による​開発​作業​を​行う​に当たり、​まずは​NI​が​提供​する​3​日間​の​トレーニング​を​受講​した。​その後、​実際​に​LabVIEW​による​開発​作業​を​進​め、​1​週間​後に​は​システム​エラー​が​発生​しない​状態​まで​持​って​いく​こと​が​でき​た。​以降、​デバッグ​作業​を​2​~​3​週間​かけ​て​行い、​計​1​カ月​で​検査​系​を​立ち​上げる​こと​が​でき​た。​この​実績​から、​短期​開発​という​点​で​PXI/​LabVIEW​が​大き く​寄与​した​こと​が​わかる。​まったく​使用​経験​の​なか​っ​た​人​が​1​カ月​で​システム​を​立ち​上げ​ら​れ​た​こと​は​高​く​評価​できる。

 

【今後​の​展開】

現在、​いわゆる​SoC​や​ASIC​を​はじめ、​アナログ/​RF​回路​を​備える​LSI​として​は​実に​多種​多様​な​もの​が​開発​さ​れ​て​いる。​それぞれ​の​仕様​に​対応​し​て、​アナログ/​RF​計測​に​必要​な​装置​の​仕様​も​異なる。​大量​生産​品​ばかり​を​扱う​ので​あれ​ば、​必要​に​応​じ​て、​テスター​メーカー​が​供給​し​て​いる​高価​な​オプション​を​購入​する​という​考え方​も​あり​得る​の​かも​し​れ​ない。​しかし、​少量​生産​品​について​は​コスト​の​理由​から​同じ​よう​な​アプローチ​を​とる​こと​は​でき​ない。​今回​の​事例​の​よう​に、​手持ち​の​装置​も​活用​し​て、​ベンチ​評価​を​発展​さ​せ​た​よう​な​形態​で​検査​を​実施​する​という​手法​が​現実​的​な​解​だ​と​言​え​よう。​この​よう​な​アプローチ​により、​コスト​の​問題​も​含​め​た​対応​策​を​提案​し​てい​く​こと​が、​当社​の​よう​な​企業​に​は​求め​ら​れ​て​いる​と​考え​て​いる。


​この​アプローチ​で、​検査​システム​の​構成​要素​として​まず​最初​に​候補​に​挙がる​の​は​PXI​だ。​その​理由​は、​安価​で​ある​こと、​短期​開発​を​実現​できる​こと、​そして​さまざま​な​ニーズ​に​対応​可能​な​モジュール​の​バリエーション​が​豊富​に​用意​さ​れ​て​いる​こと​で​ある。


​現在、​当社​ならびに​当社​が​提供​し​て​いる​サービス​の​知名度​は​必ずしも​高​く​ない。​今回​の​事例​など​を通して、​少量​生産​品​が​抱える​検査​の​課題​は​解決​可能​な​もの​で​ある​という​事実​を​広​く​知​って​も​ら​いたい​と​考え​て​いる。

 

著者​情報:

成田 信幸氏
​株式会社​シスウェーブ システム・​ソリューション​事業部 技術​担当​部長​(現・​開発​管理​室)

図​1. ​ ​検査​の​対象​と​なる​LSI​の​概要 ​
図​2. ​ ​検査​システム​の​外観 ​
図​3. ​ ​検査​システム​の​構成 ​
図​4. ​ ​テスト​ヘッド​に​配置​さ​れ​た​専用​基板 ​
図​5. ​ ​プローブカード​の​構成 ​