ON Semiconductor Speeds Up Test Times With the Semiconductor Test System

Gerd Van den Branden, ON Semiconductor Belgium

"We used NI PXI and the STS platform to develop a complete ATE test solution for high-end image sensors, giving us unprecedented test performance and providing us flexibility for future needs."

- Gerd Van den Branden, ON Semiconductor Belgium

The Challenge:

Developing a high-end, scalable, and cost-effective mixed-signal automated test equipment (ATE) production tester that enables wafer sort and final test for ON Semiconductor’s new generation image sensors.

The Solution:

Customizing the STS T4 system test head concept to meet our requirements for image sensor test of our full product portfolio. This solution is internally called the Pretty Image Sensor Tester from ON Semiconductor (PISTON tester).

当社（ON Semiconductor社）は、エネルギー効率の高いエレクトロニクス製品向けの半導体ソリューションを提供する世界有数のサプライヤです。ベルギーのメヘレンにある拠点では、映画制作をはじめ、宇宙、産業、医療といった幅広い分野向けに、ハイエンドのイメージセンサを開発しています。それらのCMOSイメージセンサは、メガピクセルレベルの解像度で、高いフレームレート（kHzのレベル）を実現します。また解像度が高いだけでなく、パラレル/シリアルの高速デジタル出力にも対応しています。当社の品質基準を満たすには、静的/動的なパラメトリックテストの機能や莫大な画像処理演算性能に加えて、センサに刺激を印加し、非常に高いデータレートに対応可能な高性能のテストシステムが必要でした。また、将来の製品で求められる要件に応じて拡張が行えるだけの柔軟性も備えていなければなりませんでした。

市場には多くのテスト用装置が提供されていましたが、当社の仕様要求を満たすには、装置を大幅な変更を加えなければならないことがわかりました。また当社は、すべて装置開発を自社で行うという体制から脱却したいとも考えていました。そこで、テストや計測の市場を調査し、ナショナルインスツルメンツ（NI）に提案を求めることにしました。それまでは、テストに必要な独自の設定を行うため、FPGAを使用したカスタム設計のボードを複数使用して特性評価を行っていました。しかし、このソリューションには、データのストリーミングとフルフレームレートの取得によってテスト時間が非常に長くなってしまうという大きな欠点がありました。PXI Expressプラットフォームは、この問題を解決する有望な選択肢だと思われました。しかし、そのままでは、当社ICの非常に高速なデータスループットには対応できないことがわかりました。その一方で、PXI Expressプラットフォームは、オープンかつモジュール式であるというメリットを有していました。そのため、他社製のモジュールを組み込んだり、カスタムのモジュールを開発して使用したりすることが可能です。つまり、複数の分野の最良のコンポーネントを組み合わせてハイブリッドなソリューションを構築できるということです。

COTS品の融合

NIの技術者は、同社がNI半導体テストシステム（STS）を開発中であることを明かすとともに、その設計に関する情報の一部を開示してくれました。技術要件を確認した結果、最高機種のSTS T4すら、当社が想像していたシステムと若干異なります。ただ、NIはこのシステムのカスタマイズを支援してくれる企業として、同社のアライアンスパートナーであるSisu Devices社を紹介してくれました。当社の目標は、すべての新製品のテストに対応できるスケーラブルなテスト装置を構築することでした。NIとSisu Devices社が当社の条件を満たすべく手を差し伸べてくれたのは非常に素晴らしいことでした。

当社はNIとSisu Devices社と協力し、可能な限りCOTS（商用オフザシェルフ）のコンポーネントを使用しつつ、必要に応じてカスタムの設計を取り入れたハイブリッドのテストソリューションを構築しました。当社はこのシステムを「Pretty Image Sensor Tester from ON Semiconductor（PISTONテスタ）」と名づけました。

PISTONテスタの機械設計と熱管理設計についてはSisu Devices社が支援してくれました。STS T4をイメージセンサのテスト用に最適化するには、その中核部分に対していくつかのカスタマイズを施す必要がありました。NIのシステムエンジニアは、PXI Expressのカスタムモジュールやシステムのタイミング同期などに関する当社のあらゆる疑問に対応してくれました。

NIのPXI/PXI Expressモジュール式計測器、自社で開発したPXI Expressタイミングエンジン、フレームグラバ、同期モジュールを組み合わせることで、コスト、帯域幅、スループット、構成のしやすさなとの面で市販のテストシステムを凌駕する装置を構築することができました。PISTONテスタは、DUT（テストの対象となるデバイス）の680本のI/O端子に対し、各ピン最大1.2 Gbpsの速度でテストが行える性能、－2～6.5 Vの範囲で構成が可能なI/O仕様、24ビット確度のアナログデータチャンネルを複数搭載、－40～125℃のテスト温度範囲に対応可能な制御機能、特性評価結果に対する100％相関機能などを備えています。

運用実績

PISTONテスタは実際の運用向けにリリース済みです。これまでのところ素晴らしい成果が得られています。何も妥協することなく当社の全製品群のテストが行えるだけでなく、テスト時間の短縮、I/O数の拡張、イメージ転送帯域幅の向上を図ることができました。詳細については図1をご覧ください。

まとめ

PISTONテスタは、製造フロアにおいてすでに1年以上稼働しており、素晴らしい成果を上げています。ハードウェアと開発に費やしたコストは、導入からおよそ1年以内に完全に回収することができました。カスタマイズ可能なNI PXI/PXI Expressプラットフォームとモジュール式計測器を使用し、自社で開発したPISTON用PXI Expressタイミングエンジン、フレームグラバ、同期モジュールを組み合わせることによって、コスト、帯域幅、スループット、柔軟性の面で、市販のテスト装置を凌駕する製造テスト装置を開発することができました。このような良好な結果が得られていることから、今後、さらにPISTONテスタの開発に力を入れることによって、より大きな成果を上げられると確信しています。