​半導体メーカー向けRF自動製造テスト戦略​

​5G-Advanced、6G研究、超大型MIMO、高度なRFフロントエンド統合、AI支援無線などのディスラプティブテクノロジードライバはすべて、RF半導体業界の変化の継続的な急速なペースに貢献しています (図1)。これらの傾向により、シリコンやパッケージからシステム動作まで、あらゆるレイヤでデバイスの複雑さが増しています。同時に、テスト時間、コスト、および人員の削減がメーカーに求められています。その結果、製造テストの予算が縮小し、デバイス検証が難しくなっています。

図1.新しいRF製品テスト手法への投資を動機づける市場要因には、デバイスの複雑さの増加、製品リリーススケジュールの短縮、および人員の削減があります。  

デジタルICとは異なり、RFデバイスはアナログ、RF、そして多くの場合無線 (OTA) による計測を必要とし、それらは本質的に時間がかかり、変動の影響を受けやすい。キャリブレーションの複雑さは、周波数、帯域幅、およびアンテナの数に応じて増加します。従来型の「すべてをテスト」の概念は経済的に成り立たなくなりつつあり、テストアーキテクチャ、カバレッジ、製品ライフサイクル全体での再利用に関する新しいアプローチが求められています。

​「NI RF製造テストソリューションは、NI 半導体テストシステム(STS)のような完全なターンキーATEシステムから、NI PXIハードウェアおよびソフトウェアを使用して構築された高度にカスタマイズされたモジュール式RFテストベンチまで、今日の製造環境の厳しいニーズに対応します。

​NIシステムでは、単一のモデルを強制するのではなく、製品、数量、サプライチェーン戦略に最適な統合、標準化、カスタマイズのレベルを選択できます。この柔軟性により、NIプラットフォームは、テストボリュームの規模を必要とするRF、ミックスドシグナル、およびMEMSデバイスには特に適していますが、従来型の「大きな鉄」テスタが利益を生むほどではありません。

​このホワイトペーパーでは、RF製造テストの意思決定に焦点を当て、お客様が以下を選択する理由を比較します。

• ​NI STSなどのターンキーATEソリューション
• ​NI PXI製品で構築されたDIY RF自動生産テストシステム
• NI PXIシステムと他社製ATEを組み合わせたボルトオン方式

​RF製造テスト戦略を開発する場合、製造元は製品の複雑さ、数量、および財務目標のバランスを取るRFテストを設計する方法を決定する必要があります。単純な品質管理の合否だけでなく、RF製造テストの決定は収益性、歩留まり、および市場投入までの時間に直接影響します。多くのRFデバイスでは、特にRFスイッチ、アンプ、または統合フロントエンドモジュールなどの大容量で利益率の低いコンポーネントでは、テストコストは製造コストの大部分を占めます。

​RF製造テストでは、スループットと精度のバランスを取る必要があります。出力電力、隣接チャンネル電力 (ACP)、エラーベクトル振幅 (EVM)、高調波歪み、ノイズ数値、線形性などの計測は、環境条件、キャリブレーション、および計測器の品質に影響されやすくなります。デバイスアーキテクチャが広帯域幅と高周波数に進化するにつれて、誤差許容範囲は狭まり、変動感度は増加します。

NI STSは、RF、ミックスドシグナル、MEMS半導体デバイス用のターンキーATEソリューションを提供します。PXI計測器上に構築され、工業用テストヘッドとしてパッケージ化されたSTSは、大量生産の半導体製造環境に直接統合されます。

NI STSの主な特徴は以下のとおりです。

• 工場の現場に適したコンパクトな密閉式テストヘッド
• ウェハプローバ、ハンドラ、マニピュレータとのネイティブ統合 
• 標準化されたドッキング、ロードボード、およびバネピンインタフェース
• テスト開発、実行、およびデータ処理用の統合済みソフトウェアスタック
• 大量スループット最適化のための複数サイトテスト機能

STSは、従来の独自仕様のATEに代わる、コストを最適化した製品で、アウトソーシング半導体組立およびテスト (OSAT) プロバイダや大規模な統合デバイスメーカー (IDM) ファブで必要とされる機械的堅牢性、信頼性、標準化を実現します。 

​対極には、NI PXI計測器、コントローラ、スイッチ、およびソフトウェアから構築されたDIY RF自動生産テストソリューションがあります。テスト開発エンジニアは通常、社内またはシステムインテグレータの支援を受けてRF PXI製造テストシステムを構築します。これらのシステムは通常、以下の形式を取ります。

• カスタム19インチラック
• ​ベンチトップ生産テスター
• 特定の検査対象デバイス (DUT) タイプに密結合された分散PXIシステム 
• ラボから本番環境までのハイブリッドプラットフォームをライフサイクルステージで共有

​DIY PXIの主な利点は、モジュール性とオープン性にあります。エンジニアは、特定の製品に必要な計測器と機能のみを選択し、オーバープロビジョニングを回避します。ハードウェアとソフトウェアを段階的にアップグレードできるため、標準と製品のニーズに応じてシステムを進化させることができます。

​製造元は通常、RFポートフォリオ用にDIY PXI自動生産テストソリューションを選択します。

• ​テスト要件が十分理解されており、安定している 
• ボリュームは多いが、マージンは厳しい
• ​柔軟性と迅速な反復が完全な標準化の必要性を上回る

​これらのシステムは高度にカスタマイズされていますが、多くの場合、以下の主要I/Oが含まれます。

​シャーシ/コントローラ 

• PXIe-1095シャーシ:18スロットをサポートし、複数の計測器を必要とする複雑なRFシステムに最適な高密度の複数チャンネル設定を可能にします。モジュール間の高帯域幅通信および同期を提供します。
• PXIe-8862コントローラ:8コアIntel i7プロセッサを搭載し、高速なデータ処理とテスト実行を実現します。デジタル予歪み (DPD) やRF信号処理などの計算負荷の高いタスクを効率的に処理します。

​RF計測器

ベクトル信号トランシーバ (VST):信号生成と解析を1つのデバイスに統合し、ハードウェアフットプリントを削減してテスト設定を簡素化します。

• ​NI PXIe-5860 VST広帯域幅（最大1 GHz）および最大8.5 GHzの周波数カバレッジを備えたデュアルチャンネルVSTで、Wi-Fi 6/7や5G New Radioなどの最新のワイヤレス規格に適しています。

• ​NI PXIe-5842 VST:より高い即時帯域幅（2 GHz）と拡張周波数範囲（最大54 GHz）をサポートし、レーダー、衛星通信、ミリ波テストなどのアプリケーションに最適です。 

​ベクトルネットワークアナライザ (VNA)

• ​NI PXIe-5633 VNA:Sパラメータおよび高調波歪み測定を提供します。この計測器は、スタンドアロン機能に加えて、VSTと同時に「パススルーモード」でも動作し、同時変調信号およびSパラメータテストを可能にします。

   

​デジタルパターン計測器

• ​NI PXIe-6571:SPIおよびMIPI RFフロントエンドなどのデジタルRFインタフェースを制御するための高速デジタルI/Oを提供し、パターン生成およびキャプチャをサポートして、DUTとの信頼性の高い通信を保証します。 

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DC電源/ソースメジャーユニット (SMU)

• NI PXIe-4147 (SMU):1チャンネルあたり最大8 Vおよび3 Aの高精度DC電源供給を可能にし、検査対象RFデバイスへの電力供給に最適です。高速過渡応答や正確な電流監視など、デバイスの特性評価に不可欠な高度な機能が含まれています。
• NI PXIe-4139 SMU:高電圧（最大60 V）および低電流（1 A）を提供し、高電圧バイアスを必要とするデバイスに適しています。

• ​NI PXIe-4162/3:複数チャンネルの高密度SMUで、複数のDUT構成でのスケーリングに最適です。並列テスト環境での正確なソースおよび測定をサポートします。 

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データ収集 (DAQ)

​DAQは、環境槽や機械装置などの補助システムの外部制御と監視を行います。非RF信号を温度、振動、物理状態の監視などのテストワークフローに統合します。さらに、DAQはRFシステムと非RFシステム間で同期された動作を保証します。

​​生産量と製品ミックス

​大量生産、多品種生産環境では、標準化されたATEプラットフォームのメリットが活かされます。NI STSは、以下の点で優れています。

• ​複数の製品が共通のテストインフラストラクチャを共有
• オペレータの再トレーニングやテストセルの改訂にはコストがかかる 
• ​OSATの導入にはサイト間の再現性が必要

​DIY PXIは、以下のようなより狭い用途に適しています。

• ​非常に大量のRF製品
• ​単一のクラスのデバイス用に最適化された専用テスタ 
• ​スループットがわずかに向上しても大幅なコスト削減になる状況

​サプライチェーン戦略:IDMとOSAT

​サプライチェーン戦略はRF製造テストの選択に大きな影響を与えます。OSAT中心の生産では、機械的互換性、保守性、標準化されたワークフローにより、STSのようなターンキーATEが好まれます。社内IDMテストでは、特にテスト開発と製造が密接に結びついている場合に、カスタムPXIシステムをより自由にデプロイできます。

​大規模なRF半導体企業の多くは、特定の製品またはライフサイクルステージ用にRF PXI自動生産テストシステムを社内に保持しながら、OSATでSTSを使用してハイブリッドモデルを運用しています。 

​テストコストと資本効率

​ビジネスリーダーは、資本効率をRF自動生産テスト戦略の決定の重要な要素として扱います。利益率の低いRF部品では、有益なテスト操作と持続不可能なテスト操作の違いは、未使用の機能を削除できるかどうかにかかっている可能性があります。

​STSは、レガシーATEと比較して、統合のリスクと製造までのエンジニアリング時間、設置面積、電力、メンテナンスのオーバーヘッドを削減します。DIY PXIシステムは、多額の統合コストを負担しますが、初期設備投資、計測器の冗長性、長期にわたる旧式化のリスクを低減します。 

​エンジニアリング制御と適応性 

​DIY PXI製造テストソリューションは、高度なカスタマイズ性と将来を見据えた柔軟性を提供します。これらにより、以下を含む最大限のエンジニアリング制御が可能になります。

• 新しいRF計測器への即時アクセス
• 新しい標準への迅速なサポート
• 特定のDUT動作に合わせたカスタムテストフロー 

​その代わり、この戦略を採用する製造元は、多大なエンジニアリングオーバーヘッドを想定する必要があります（図2）。 

​ATE採用企業では、STSは以下のような極めて柔軟性に欠けます。

• 生産の堅牢性
• より高速なスケーリング 
• ​導入後の専門的なエンジニアリング専門知識への依存度の低減

図2.DIY RF PXIソリューションとSTS ATEオプションは、両方の利点とトレードオフを提供します。DIYアプローチでは、汎用性が最も高く拡張性とメンテナンスが犠牲になりますが、STSでは信頼性と拡張性が得られますが柔軟性は制限されます。

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組織とスキルに関する注意事項

​予算の削減と従業員の人口構造の変化は、業界全体でテストチームの空洞化を引き起こしています。この残念な現実は、RF製造テストの戦略的展望にも影響します。

​STSのようなターンキーATEソリューションは、RFシステムインテグレーションの深い知識、カスタム機械設計、専門スタッフによる長期保守への依存を低減します。一方、DIY PXIシステムには、高度なスキルを持つRFおよびテストエンジニア、強力な内部ソフトウェアガバナンス、およびシステムライフサイクルリスクへの対処が必要です。

​一部の組織では、インフラストラクチャのメンテナンスではなく、設計およびアルゴリズム開発のために意図的にSTSを選択しています。 

ほとんどの製造元は、ATE、カスタムAPT、または2つの比率を優先する方法を選択します。しかし、NI PXIシステムと他社製のATEを併用するボルトオン方式を採用するメーカーは増加しています。

アプリケーション例

• 既存のATEフローに統合されたPXIベースのRFサブシステム
• メインテスタからオフロードされた複雑なまたは新しい測定に使用されるPXI 
• ゴールデンリファレンスまたは特性評価として機能するPXIシステム

このボルトオン方式により、既存のATEプラットフォームを完全に置き換えることなく、既存のATE投資の寿命を延ばしたり、新しいRF機能を導入したりすることができます。

NI PXIは、オープンなソフトウェアモデルと幅広いRF計測エコシステムにより、この役割に特に適しています。

プラットフォームの選択に関わらず、テスト時間の短縮は世界共通の目標です。RF製造テストに影響を与える主な業界トレンドは以下のとおりです。

• 測定圧縮方法
• 統計および推論ベースのテスト
• AI支援キャリブレーションおよびテスト選択
• 網羅的なパラメトリックカバレッジよりもシステムレベルのKPIを重視

STSとDIY PXIでは、これらの方法が異なる方法でサポートされています。STSは、標準化された最適化を大規模に展開するための構造化された環境を提供する一方で、DIY PXIは、積極的な製品特有の手法を迅速にプロトタイプ化して展開するための自由度を提供します。

もう1つの差別化要因は、テストプラットフォームを製品ライフサイクルにマッピングする方法です。DIY PXIは、設計検証、特性評価、および早期生産にまたがることがよくありますが、STSは製造寿命が長く、マルチサイト展開が可能な大量生産に適しています。

多くのお客様は、製品の成熟に伴い、機械的および操作的なラッパーを変更しながらテストIPを再利用して、意図的にDIY PXIからSTSに移行します。

RF自動製造テストは、半導体経済の中心です。本番環境では、低コスト、高速スループット、小規模チームが求められますが、新しいテクノロジーではより複雑なデバイスが必要となります。すべての制約を満たす単一のテストアーキテクチャはありません。

NI 半導体テストシステムなどのターンキーATEプラットフォームは、本番環境で使用できる堅牢性、標準化、拡張性を提供します。そのため、OSATの導入や複雑なRFポートフォリオの大量生産に適しています。一方、NI PXI上に構築されたDIY RF製造テストシステムは、比類のない柔軟性、コストの最適化、および適応性を提供します。これらのカスタマイズは、専用のハイランナー製品、社内IDMテスト、および新しいRF規格への迅速な対応に最適です。

一部の半導体メーカーは、「ボルトオン」モデルとしてATEとボルトオンPXIサブシステムを組み合わせ、テスト戦略を製品の経済性に合わせています。AI支援テスト、推論ベースのカバレッジ、設計と製造間の緊密な結合などのトレンドにより、ATEとモジュール式テストシステムの境界はさらにあいまいになります。RF製造テストの成功は、製品ライフサイクルの適切な時点で適切なアーキテクチャを導入するエンジニアにかかっています。

RF自動生産テストは、半導体の収益性にとってますます重要になっています。RFデバイスは、製造予算と人員が減少する一方で、より高い周波数、より広い帯域幅、より厳しい許容範囲で動作しています。すべての製造元に適合する単一のテスト方法はなく、テストシステムを生産量、サプライチェーン、および製品ライフサイクルのニーズに一致させることが成功の鍵となります。最終的には、このホワイトペーパーで説明するテスト方法の適切な組み合わせを選択することが、生産ニーズの変化に対応し、半導体製造で持続的な成功を収める鍵となります。

​NI RF製造テストソリューションの詳細については、sts@emerson.comの技術サポートまでお問い合わせください。

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