NI Semiconductor Test System │ 한국내쇼날인스트루먼트㈜
시장은 계속해서 진화하고 복잡해지고 있다. 이러한 변화를 수용하고 예기치 못한 일이 발생할 것을 예상하여 대처하는 것은 우리의 몫이다. 스마트 장비가 업그레이드 가능한 소프트웨어를 통해 더욱 지능을 높여간다면 테스트 장비도 그에 부응해야 하는 것은 당연하다.

 

사물 인터넷의 등장과 대형 ATE의 몰락

전통적인 자동화 테스트 장비(Automated Test Equipmen: ATE)는 대부분 무어의 법칙을 따르는 디지털 기술을 테스트하는데 최적화되어 있다. 그러나 지난 수십 년간 점진적으로 더 많은 아날로그 기술을 IC에 통합하는 변화가 일어나면서 무어의 법칙보다는 훨씬 복잡한 테스트 문제가 발생했다. IoT를 위한 혁신 기술은 테스트 엔지니어들에게 센서, RF 안테나 등에서 오는 디지털 신호와 아날로그 신호를 모두 수용하는 혼합 신호 시스템을 검증하고, 엄청난 양의 테스트를 최소한의 비용으로 처리해야 한다는 숙제를 안겨주었다. 기존의 ATE는 미래의 테스트 과제를 해결하기에 역부족하다. 테스트 엔지니어들에게는 IoT 시대의 스마트 장비를 테스트하기 위한 스마트 ATE가 필요하다.

특성화에서 양산까지 하나의 계측 시스템 사용

일반적으로 12달 정도가 소요되는 IC의 설계 주기에서는 한 주 한 주가 중요하기 때문에 테스트 엔지니어들은 데이터 연관 작업에 많은 노력을 기울인다. 특성화와 양산 테스트는 전혀 별개로 이루어지며, 서로 다른 팀이 서로 다른 설정으로 서로 다른 위치에 테스트 시스템을 구축하기 때문에 테스트 엔지니어들은 반드시 양쪽 테스트에서 수집한 데이터를 연관 짓는 작업을 수행해야 한다.
특성화 테스트는 보통 고정 기능형 계측기들을 사용하여 연구실에서 수행하는 반면, 양산 테스트는 조작기에 매달려 있으며 갖가지 계측 장비가 내장된 ‘테스트 헤드’를 사용한다. 매번 테스트 시스템을 설정할 때마다 다양한 벤더가 제작한 계측기와 커넥터, 여러 길이의 케이블을 사용하게 된다. 이렇게 여러 가지 장비를 조합하다 보면 엄청난 경우의 수가 나오게 되므로 특성화와 양산 테스트 사이에 측정 불일치가 발생할 가능성이 있다.
IoT 혁신을 주도하는 사람들이 경우의 수를 줄이기 위해 사용할 수 있는 방법은 세 가지가 있다. 우선 양산 테스트를 특성화 연구소로 옮기는 방법이 있는데, 이렇게 하려면 값비싼 장비를 구매해야 하므로 추가적인 자본 투자가 필요하다. 두 번째로는 여러 개의 박스형 계측기를 생산 라인에 설치하여 테스트를 하는 방법이 있으나 이렇게 하면 측정 처리량이 감소하여 테스트 병목 현상이 발생한다. 마지막 옵션은 스마트한 ATE 플랫폼을 마련하여 테스트 엔지니어가 같은 계측기를 여러 가지 폼팩터로 구현하여 특성화와 양산 테스트에 모두 사용할 수 있도록 하는 것이다.
시장 출시 시간을 단축하고 테스트 비용을 절감해야 하는 IoT 시대에 데이터 연관 작업에 대한 우려가 완전히 사라질 수는 없겠지만, 테스트 엔지니어들이 모듈형 ATE 플랫폼을 사용하면 데이터 연관 과정을 단순화할 수 있다.
│사진 1│ NI STS(Semiconductor Test System) 시리즈

NI 반도체 테스트 시스템

NI STS(Semiconductor Test System) 시리즈는 바로 양산 환경에서 사용할 수 있는 테스트 시스템으로, 반도체 생산 테스트 환경에 적합한 폼팩터에 NI 기술을 접목한 제품이다. STS의 일체형 테스트 헤드에는 NI PXI 플랫폼, TestStand 테스트 관리 소프트웨어, LabVIEW 그래픽 프로그래밍이 결합되어 있다. ‘헤드에 내장된 테스터’ 설계에는 시스템 컨트롤러, DC, AC, RF 계측, DUT 인터페이싱, 장비 핸들러/프로버 도킹 기계장치 등 생산 테스터의 주요 구성요소가 모두 포함되어 있다. 이렇게 컴팩트한 설계 덕분에 기존의 ATE 테스터보다 작은 작업 공간에서 사용 가능하며 전력 소모량과 유지보수 노력이 줄어들기 때문에 테스트 비용을 절약할 수 있다. 또한 개방된 모듈형 STS 설계를 통해 더욱 강력한 계측 및 연산 기능을 갖춘 가장 최신의 업계 표준 PXI 모듈을 활용할 수 있다.

 

│사진 2│ NI 반도체 테스트 시스템의 내부

RF 및 혼합 신호 반도체 테스트를 위한 첨단 계측

NI STS는 업계 표준 PXI 하드웨어 플랫폼을 기반으로 하여 구성되었다. 여러 업계에서 두루 채택하고 있는 PXI는 오픈 플랫폼으로, PXI Systems Alliance에 소속된 60개 이상의 벤더가 1,500개가 넘는 제품을 생산하고 있다. PXI 섀시는 데이터 공유, 통합 타이밍 및 동기화를 위한 높은 대역폭의 고속 PCI Express 버스를 제공한다. 또한 PXI는 최신 멀티코어 프로세서나 FPGA와 같은 상용 기술을 사용하기 위한 프레임워크도 제공한다. 최첨단 상용 컴퓨팅 성능을 활용하면서도 산업 환경에 필요한 장기적 수명주기 요구사항을 충족시키기 위해 PXI 컨트롤러의 프로세서는 Intel의 임베디드 로드맵에서 선별되며, 이 로드맵에는 산업현장에서 장기적으로 사용하기 위해 설계된 컨트롤러가 포함되어 있다.
NI STS는 DC(IV), AC, RF를 위한 NI의 첨단 PXI 모듈형 계측기와 함께 디지털 핀 전자기기(PMU) 및 파워 서플라이와 같은 공통 시스템 리소스도 함께 활용한다. 전반적으로 STS는 비용 최적화된 고성능 테스트 솔루션을 제공하기 위해 설계되었으며 RF 전력 증폭기(RF PA), 미세전지기계 시스템(MEMS) 가속도계, 전력 관리 IC(PMIC) 등과 같은 RF/아날로그 중심 반도체의 RF 및 혼합 신호 테스트에 이상적이다.

NI STS 특징

핵심 STS 계측 엔진은 업계 최초의 벡터 신호 트랜시버(VST)에서 혁신적인 NI SourceAdapt 기술 갖춘 SMU(Source Measure Unit)에 이르기까지 첨단 NI PXI 모듈형 계측기를 바탕으로 하여 구현되었다. NI나 PXISA의 다른 회원사가 새로운 PXI 모듈을 출시할 때마다 STS의 전반적인 기능이 향상된다.

 

│사진 3│ 6GHz RF 입출력 포트 지원, 200MHz 대역폭, 개방형 FPGA가 제공되는 PXIe-5646R VST
│사진 4│ 20W DC(200V/1A) 파워 지원, 100fA 분해능을 제공하는 PXIe-4137 SMU(소스미터 유닛)
│사진 5│ 1.5GHz 대역폭, 4채널, 10비트를 지원하는 PXIe-5162 오실로스코프

RF 계측

세계 최고 수준의 NI RF 계측 모듈에는 벡터 신호 분석기(VSA), 신호 생성기(VSG), 파워 미터, 벡터 네트워크 분석기(VNA), 벡터 신호 트랜시버(VST)가 포함된다. 26.5GHz의 벡터 신호 분석기는 동급 최고의 측정 성능, 속도, 유연성과 함께 업계를 선도하는 다이나믹 범위와 765MHz의 대역폭을 결합한 제품이다.

DC 계측

SourceAdapt 기술을 탑재하고 있는 컴팩트한 고정밀 고속 NI SMU를 사용하면 캐패시티브 로드가 있을 경우에도 SMU 응답을 최적화할 수 있다. NI SMU는 강력한 DC 또는 전압-전류(VI) 테스트 성능을 갖추고 최대 100fA 전류 측정 해상도를 제공하므로 웨이퍼와 패키지 장비 테스트에 모두 적합하다.

 

AC 계측

NI는 최대 24비트 또는 12.5GS/s의 다양한 오실로스코프/디지타이저와 최대 145MHz의 아날로그 대역폭을 가진 여러 가지 임의 파형 생성기를 통해 데이터 컨버터, MEMS 가속도계 등의 반도체의 AC 계측 기능을 제공한다.

디지털, 파워 서플라이, 범용 계측

NI PXI 플랫폼은 핀별 파라미터 측정 기능을 갖춘 디지털 계측기(PMU), 최대 12.5Gb/s의 고속시리얼 프로토콜(HSDIO), 최고 60W의 범용 파워 서플라이, 다양한 디지털 및 혼합 신호 테스트 요구사항을 위한 7 자리 고성능 멀티미터 등의 폭넓은 핵심 계측 기능을 갖추고 있다.

적용사례

IDT는 저전력 디바이스부터 고성능 디바이스까지 다양한 혼합 신호 반도체 솔루션을 제공하는 기업이다. 세계 최고 실리콘 타이밍 디바이스(클럭 IC) 공급업체인 IDT는 업계에서 가장 광범위한 네트워킹 및 통신, 소비자용 및 컴퓨팅 애플리케이션 등 다양한 제품 포트폴리오를 제공한다.
IDT의 제품 성능이 향상됨에 따라, 생산 테스트 조건도 따라잡기 힘들 정도로 빠른 속도로 변화하고 있다. 고성능 측정을 위해 기존에 사용하였던 ATE 시스템은 비용이 많이 들 뿐 아니라, 여러 기능을 추가해야 했기 때문에 부가 비용도 발생했다. 또한, ATE 시스템의 경우 성능을 향상시키기 위해 테스터를 업그레이드하려면, 새로운 버전의 플랫폼으로 업그레이드하고 사용하던 플랫폼은 폐기해야 한다. 따라서 기존 플랫폼에 투자한 대부분의 비용을 포기해야만 했다.
IDT사는 NI 솔루션이 제공하는 여러 장점을 적극적으로 활용하였다. 첫째, 기존의 하이브리드방식과 달리 테스트 헤드를 강화하여 생산시 실패의 가능성을 줄이고, 유지보수 및 수리시 비작동시간을 줄였으며, 필요한 공간도 줄일 수 있었다.
또한 시스템에 상호연동 가능한 인터페이스 보드가 있고 동일한 테스터 설정을 다른 유형의 디바이스에도 사용할 수 있었으므로, 다양한 디바이스를 테스트할 수 있게 되었다. 여러 사이트에 사용가능한 본 시스템은 하드웨어 최적화를 위해 고정밀 성능 파라미터를 갖춘 병렬 테스트 시스템이므로 보다 높은 테스트 처리량을 구현하였다. 마지막으로, 본 솔루션은 다른 통합 솔루션과 비교하여 하나의 계측 세트만을 구축하면 되었고 유지해야 할 개별 시스템이 적었기 때문에 비용이 적게 들었다.
│사진 6│ IDT의 생산 시설 내에서 생산 테스트에 사용되는 NI STS
NI STS는 IDT사의 생산현장에서 하루도 쉬지 않고 가동한다. 테스트 시간이 25% 정도 단축되었고 측정 기능과 정확도가 개선되었으며 테스트시설의 공간 사용도 줄어 보다 생산 효율적인 테스터를 구현하였다. NI STS를 통해 테스트 성능을 증대하였을 뿐 아니라 유지 관리가 어렵던 기존의 테스트 시스템을 처분하여 전체 테스트 비용을 절감할 수 있었다. 기존의 일부 시스템은 전력 및 냉각에 많은 비용이 들었으나, NI STS의 경우 추가의 설비 필요 없이 110V 콘센트에 꽂기만 하면 된다. 기존 시스템의 단위당 시간별 테스트 비용은 NI STS의 두 배에 달했다. 또한, NI STS는 병렬 테스트 기능을 통해 여러 테스트 사이트에서 고성능의 측정을 제공하여 테스트 비용을 더욱 절감하는 결과를 가져왔다.

 

향후 전망

시장이 계속해서 진화하고 복잡해지면 변화를 수용하고 예기치 못한 일이 발생할 것을 예상하고 있어야 한다. 스마트 장비가 업그레이드 가능한 소프트웨어를 통해 더욱 지능을 높여간다면 테스트 장비도 그에 부응해야 하는 것은 당연하다. 소프트웨어 기반 테스트 장비에 투자하면 현재의 테스트 문제를 해결하면서도 향후의 새로운 요구사항을 수용할 수 있는 플랫폼을 갖추게 된다. 플랫폼을 기반으로 한 ATE 구현방식에서는 모듈형 하드웨어도 분명 중요한 역할을 하지만, 모든 요소를 하나로 통합하는 역할을 하는 것은 역시 소프트웨어이다.
매년마다 Nest나 Tesla와 같은 기업들이 시장에 혁신을 일으키며 인간과 장비가 상호작용하는 방식을 바꾸게 될 것이다. 또한 매년마다 첨단 센서 기술이 등장하여 주변 환경에 대해 더욱 많은 정보를 얻게 될 것이다. 그리고 매년마다 새로운 통신 프로토콜이 정의되어 적은 바이트에 더 많은 데이터를 탑재할 수 있을게 될 것이다. 이런 환경에서 테스트 엔지니어는 IoT에 배포되는 모든 첨단 장비가 안전하고, 신뢰성 있으며 효율적으로 작동할 수 있도록 검증하는 역할을 맡게 된다. 점점 더 많은 기업들이 이러한 문제를 해결하기 위해 테스트 장비에 보다 스마트한 플랫폼 기반 방식을 적용하고 있다. 비용과 시장 출시 기간이 계속해서 단축되고 있기 때문에 혁신을 추구하는 기업들은 반드시 자사가 생산하는 장비에 뒤지지 않을 만큼 스마트한 ATE를 갖춰야 할 것이다.

 

<더세미콘매거진 편집부> the_semicon@thesemicon.co.kr

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