​適用於半導體製造商的 RF 自動化生產測試策略

​5G-Advanced、6G 研究、超大型 MIMO、先進的 RF 前端整合以及 AI 輔助無線電等顛覆性技術驅動因素,都促使 RF 半導體產業持續快速改變 (圖 1)。基於這些趨勢,從矽、包裝到系統行為的每個層的裝置複雜度都會提高。同時,市場壓力也迫使製造商必須縮短測試時間、降低成本以及減少人數。其結果:裝置驗證的難度隨著量產測試預算縮減而提高。

圖 1.推動投資新 RF 產品測試方法的市場推動因素包括裝置日益複雜、產品上市時程緊迫,以及人力減少。  

不同於數位 IC,RF 裝置需要進行類比、RF 與經常空中傳輸 (OTA) 的量測作業,因為這類量測作業本就更耗時,而且對變化較敏感。校準複雜度會隨著頻率、頻寬與天線數增加。傳統的「測試一切」(Test Everything) 哲學在經濟上已變得不可行,因此必須採用新的方法,在整個產品生命週期中進行測試架構、涵蓋範圍以及重複使用。

​從 NI Semiconductor Test System (STS) 等現成 ATE 系統,到使用 NI PXI 軟硬體建置的超客制化模組化 RF 測試台,NI RF 生產測試解決方案可滿足現今生產環境的嚴苛需求。

​相較於強制採用單一模型,NI 系統可讓客戶選擇最符合其產品、產量與供應鏈策略的整合、標準化與客製化等層級。由於能發揮如此靈活的彈性,NI 平台對於 RF、混合訊號與 MEMS 裝置而言特別重要,因為這類裝置需要擴充測試量,但這一點並不符合傳統的「大型」測試機的利潤。

​此技術文章著重說明 RF 生產測試決策,並比較客戶為何選擇:

• ​NI STS 等現成 ATE 解決方案
• ​以 NI PXI 產品建立的 DIY RF 自動化生產測試系統
• 結合 NI PXI 系統與第三方 ATE 的固定設定策略

​在開發 RF 生產測試策略時,製造商必須確定如何架構 RF 測試,以在產品複雜度、產量與財務目標之間取得平衡。RF 生產測試決策不僅會讓簡單的品質控制失敗,還會直接影響獲利能力、良率與上市時間。就許多 RF 裝置而言,測試成本代表整體製造成本的一大部分,尤其是 RF 切換器、放大器或整合式前端模組等大量、低利潤元件。

​RF 生產測試必須在產能與精確度之間取得平衡。輸出功率、鄰近通道功率 (ACP)、誤差向量幅度 (EVM)、諧波失真、雜訊係數與線性度等量測作業,對環境條件、校準與儀器品質都相當敏感。隨著裝置架構朝更大的頻寬與更高的頻率發展,誤差容錯會越來越窄,變化靈敏度也越來越高。

NI STS 提供現成的 ATE 解決方案,適用於 RF、混合訊號與 MEMS 半導體裝置。STS 以 PXI 儀器為基礎,卻是工業級測試頭,可直接整合至大量的半導體生產環境中。

NI STS 的主要特性包含:

• 輕巧的封閉式測試頭,適用於工廠廠房
• 與晶圓探針器、處置器與操控器的原生整合 
• 標準化對接、測試載板與彈簧針腳介面
• 預先整合的軟體堆疊,適用於測試開發、執行與資料處理
• 多點測試功能,可最佳化大量傳輸率

STS 為傳統專有 ATE 的最佳成本替代方案，可提供外包半導體組裝與測試 (OSAT) 供應商與大量集成設備製造 (IDM) 廠所需的機械穩定性、可靠性與標準化功能。 

​相反的端點是採用 NI PXI 儀器、控制器、切換器與軟體所打造的 DIY RF 自動化生產測試解決方案。測試開發工程師通常會自行或在系統整合商的協助下,建立 RF PXI 生產測試系統。這些系統通常是:

• 客制化 19 吋機架
• ​桌上型生產測試機
• 與特定受測裝置 (DUT) 類型緊密搭配的分散式 PXI 系統 
• 在生命週期階段共用混合式實驗室轉生產平台

​DIY PXI 的核心優勢在於模組化與開放性。工程師只會選擇特定產品所需的儀器與功能,避免進行過度配置。軟硬體可逐步升級,以協助系統依據標準與產品需求發展。

​製造商通常會選擇使用 DIY PXI 自動化生產測試解決方案,以因應下列問題的 RF 產品組合:

• ​了解清楚且測試需求穩定 
• 產量高,但邊限卻緊湊
• ​靈活性與快速迭代,超越了完整標準化的必要

​這些系統雖然高度客制化,但通常會包含下列主要 I/O:

​機箱/控制器 

• PXIe-1095 機箱:支援 18 個插槽,支援高密度的多通道設定,非常適合需要多種儀器的複雜 RF 系統。提供高頻寬通訊與模組之間的同步化功能。
• NI PXIe-8862 控制器:配備 8 核心 Intel i7 處理器,可快速處理資料並執行測試。有效處理需要大量運算的作業,例如數位預失真 (DPD) 與 RF 訊號處理。

​RF 儀器

向量訊號收發儀 (VST):將訊號產生與分析功能整合在單一裝置中,可減少硬體佔用空間並簡化測試設定。

• ​NI PXIe-5860 VST:雙通道 VST 具備大範圍頻寬 (最高 1 GHz) 與高達 8.5 GHz 的頻率範圍,適用於 Wi-Fi 6/7 與 5G New Radio 等現代無線標準。

• ​NI PXIe-5842 VST:支援更高的瞬間頻寬 (2 GHz) 與更廣泛的頻率範圍 (最高 54 GHz),適用於雷達、衛星通訊與毫米波測試等用途。 

​向量網路分析儀 (VNA)

• ​NI PXIe-5633 VNA:提供 S 參數與諧波失真量測功能;除了獨立功能之外,此儀器還可與 VST 一同在「傳遞模式」中運作,以實現同步調變訊號與 S 參數測試。

   

​數位碼型產生器

• ​NI PXIe-6571:提供高速數位 I/O,適用於控制 SPI 與 MIPI RF 前端等數位 RF 介面,並支援碼型產生與捕捉功能,確保與 DUT 進行穩定的通訊。 

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DC 電源供應器/電源量測單位 (SMU)

• NI PXIe-4147 SMU:支援每通道最高 8 V 與 3 A 的精確 DC 電源供應,非常適合用來為 RF 受測裝置供電。內含快速暫態響應與準確電流監控等進階功能,這些都是裝置特性分析不可或缺的功能。
• NI PXIe-4139 SMU:提供較高的電壓 (最高 60 V) 與較低的電流 (1 A),因此適用於需要較高電壓偏壓的裝置。

• ​NI PXIe-4162/3:具備多通道的高密度 SMU,適用於跨多 DUT 設定進行擴充。支援平行測試環境的精確源極與量測作業。 

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資料擷取 (DAQ)

​DAQ 可為輔助系統提供外部控制與監控功能,例如環境測試箱或機械設備。他們會將非 RF 訊號整合至測試工作流程中,例如溫度、振動或物理狀態監控。此外,DAQ 可確保跨 RF 與非 RF 系統的同步作業。

​量產與產品組合

​大規模、多混合量生產環境可享有標準化 ATE 平台的優勢。NI STS 具備以下特點:

• ​多款產品共用同一個測試基礎架構
• 重新訓練操作人員或重新認證測試單元的成本 
• ​OSAT 部署需要跨據點可重複作業

​DIY PXI 適用於較為精簡的使用案例,例如:

• ​數量極高的 RF 產品
• ​專為單一裝置類別最佳化的專屬測試機 
• ​產能 marginal improvement 可大幅節省成本的情況

​供應鏈策略:IDM 與 OSAT

​供應鏈策略大幅影響 RF 生產測試選擇。以 OSAT 為主的生產,因為機械相容性、維修功能與標準化工作流程,因此會優先考量 STS 等現成 ATE。內部 IDM 測試可讓您更自由地部署客制 PXI 系統,在測試開發與製造作業緊密搭配使用時更是如此。

​許多大型 RF 半導體公司會在 OSAT 中操作混合式模型、使用 STS,同時保留內部的 RF PXI 自動化生產測試系統,適用於特定產品或生命週期階段。 

​測試成本與資本效率

​企業主管通常會將資本效率視為決策 RF 自動化生產測試策略的關鍵因素。就低利潤的 RF 零件而言,獲利的測試作業與不永續的測試作業之間的差異,可能取決於消除未使用的功能。

​相較於舊版 ATE,STS 能降低整合風險並縮短生產前的工程時間,也能降低廠房空間、電力與維護成本。DIY PXI 系統不但會耗費大量的整合成本,還能降低初始資本支出、儀器備援與長期停產風險。 

​工程控制與適應性 

​DIY PXI 生產測試解決方案提供超級客制化與符合未來需求的靈活性。這些模組可實現最高的工程控制,包含:

• 立即存取新的 RF 儀器
• 迅速支援新興標準
• 針對特定的 DUT 行為量身打造的客制化測試流程 

​因此,採用這項策略的製造商必須承擔相當大的工程負擔 (圖 2)。 

​對 ATE 採用者而言,STS 可提供極度靈活的功能,以提供:

• 生產穩健性
• 縮短擴充速度 
• ​部署完成後,就更容易仰賴專業工程專業

圖 2.DIY RF PXI 解決方案與 STS ATE 選項皆有優點與取捨。DIY 方法提供最大的多功能性，但會犧牲擴充性與維護性，而 STS 則提供可靠性與擴充能力，但限制了靈活性。

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組織與技能相關考量要點

​預算縮減與人力人口變化,都使得整個產業的測試團隊變得空白。這樣的現況也會影響 RF 生產測試的策略展望。

​STS 等現成 ATE 解決方案可減少對深度 RF 系統整合知識、客制化機械設計與專業人員長期維護的依賴程度。另一方面,DIY PXI 系統需要高技能的 RF 與測試工程師、強大的內部軟體治理能力,以及願意承擔系統生命週期風險。

​部分組織會故意選擇 STS 來保留工程頻寬,以利設計與演算法開發,而不是維護基礎架構。 

大多數製造商會選擇優先考量 ATE、客制化 APT 或其中某些比例的策略。然而,越來越少數的製造商採用螺栓式策略,並使用第三方 ATE。

常見範例包含：

• 整合至現有的 ATE 流程的 PXI 架構 RF 子系統
• PXI 用於從主要測試機卸載的複雜或新興量測作業 
• 做為黃金參考或特性分析相關的 PXI 系統

這樣的開放方式可讓公司延長現有 ATE 投資的使用壽命,並且在不完全取代現有 ATE 平台的前提下推出新的 RF 功能。

NI PXI 具備開放式軟體模型與廣泛的 RF 儀器生態系統,因此非常適合此一職務。

無論選擇哪一種平台,縮短測試時間都是通用的目標。影響 RF 生產測試的關鍵產業趨勢包括:

• 量測壓縮策略
• 統計與推論式測試
• AI 輔助校準與測試選擇
• 針對完整的參數涵蓋範圍,更重視系統層級的 KPI

STS 與 DIY PXI 支援這些策略的方式不同。STS 提供有條理的環境,可大規模部署標準化最佳化作業,而 DIY PXI 則可提供快速製作原型的自由性,並部署緊湊的特定產品專屬技術。

另一項差異在於測試平台與產品生命週期對應的方式。DIY PXI 通常涵蓋設計驗證、特性分析與早期生產等領域,而 STS 則具備長的生產壽命與多點部署能力,在大量生產方面表現優異。

許多客戶會在產品成熟時故意從 DIY PXI 轉換成 STS,同時重複使用測試 IP,同時更換機械與操作封套。

RF 自動化生產測試是半導體經濟的核心。雖然生產環境需要更低的成本、更快的產能與更小的團隊,新興技術卻需要更複雜的裝置。沒有單一測試架構能夠滿足所有限制。

NI Semiconductor Test System 等現成 ATE 平台能提供立即可用的穩定性、標準化與擴充功能。因此,他們非常適合用於 OSAT 部署與複雜 RF 產品組合的大量製造。相對而言,採用 NI PXI 架構的 DIY RF 生產測試系統能發揮無可比擬的彈性、成本最佳化與靈活性。這些客製功能適用於專屬的高執行階段產品、內部 IDM 測試,以及快速回應新興的 RF 標準。

部分半導體製造商採用「開關」模型:結合 ATE 與開關 PXI 子系統,以配合測試策略與產品經濟效益。未來,AI 輔助測試、推論涵蓋範圍,以及更緊密的設計與製造偶合等趨勢,將會進一步模糊 ATE 與模組化測試系統之間的界限。工程師必須在產品生命週期的正確階段部署正確架構,才能在 RF 生產測試中獲得成功。

RF 自動化生產測試對半導體獲利能力的重要性與日俱增。RF 裝置現在可以以更高的頻率、更廣泛的頻寬與更嚴格的容許範圍運作,同時生產預算和人力都會減少。沒有單一的測試策略可滿足每位製造商需求;成功與測試系統是否符合生產量、供應鏈與產品生命週期需求。總而言之,要因應不斷變化的生產需求,並在半導體製造業中取得持續成功,關鍵在於選擇正確的測試策略組合。

​若要進一步了解 NI RF 生產測試解決方案,請透過 sts@emerson.com 與我們的技術專家聯絡。

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