自動試験装置

自動試験装置または自動試験装置( ATE ) は、テスト対象デバイス(DUT)、テスト対象機器 (EUT)、またはテスト対象ユニット (UUT) と呼ばれるデバイスに対して、自動化を使用して測定を迅速に実行し、テスト結果を評価するテストを実行する装置です。ATE は、単純なコンピューター制御のデジタル マルチメーターの場合もあれば、高度な電子パッケージ部品の障害を自動的にテストおよび診断したり、システム オン チップや集積回路を含むウェーハ テストを実行したりできる、多数の複雑なテスト機器 (実際のまたはシミュレートされた電子テスト装置)を含む複雑なシステムである場合もあります。

ATE は、電子機器製造業界で、製造後の電子部品やシステムのテストに広く使用されています。ATE は、航空電子機器や自動車の電子モジュールのテストにも使用されます。また、レーダーや無線通信などの軍事用途にも使用されます。

半導体 ATE は、半導体デバイスのテストにちなんで名付けられ、単純なコンポーネント (抵抗器、コンデンサ、インダクタ)から集積回路(IC)、プリント基板(PCB)、複雑で完全に組み立てられた電子システムまで、幅広い電子デバイスとシステムをテストできます。この目的のために、プローブ カードが使用されます。ATE システムは、特定のデバイスが動作することを確認するために必要なテスト時間を短縮したり、部品が最終的な消費者製品に使用される前にその障害をすばやく発見したりできるように設計されています。製造コストを削減し、歩留まりを向上させるには、半導体デバイスを製造後にテストして、欠陥のあるデバイスが消費者に渡らないようにする必要があります。

半導体 ATE アーキテクチャは、1 つ以上のソースおよびキャプチャ機器 (以下にリスト) を同期するマスター コントローラ (通常はコンピュータ) で構成されます。歴史的には、ATE システムではカスタム設計されたコントローラまたはリレーが使用されていました。テスト対象デバイス (DUT) は、ハンドラーまたはプローバーと呼ばれる別のロボット マシンによって、および ATE のリソースを DUT に適合させるカスタマイズされたインターフェイス テスト アダプタ (ITA) または「フィクスチャ」を介して、ATE に物理的に接続されます。

産業用 PC は、信号刺激装置/検知カードを収容するのに十分な PCI/PCIe スロットを備えた 19 インチ ラック標準にパッケージ化された通常のデスクトップ コンピュータです。これは、ATE のコントローラの役割を果たします。テスト アプリケーションの開発と結果の保存は、この PC で管理されます。最新の半導体 ATE のほとんどには、さまざまなパラメータをソースまたは測定するための複数のコンピュータ制御の計測器が含まれています。計測器には、デバイス電源 (DPS)、^{[1] [2]}パラメトリック測定ユニット (PMU)、任意波形発生器 (AWG)、デジタイザ、デジタル IO、ユーティリティ電源などがあります。計測器は DUT に対してさまざまな測定を実行し、適切なタイミングで波形をソースおよび測定するように同期されます。応答時間の要件に基づいて、刺激と信号キャプチャにはリアルタイム システムも検討されます。

マスインターコネクトは、テスト機器 (PXI、VXI、LXI、GPIB、SCXI、PCI) とテスト対象デバイス/ユニット (D/UUT) 間のコネクタ インターフェイスです。このセクションは、ATE と D/UUT 間で入出力される信号の結節点として機能します。

たとえば、特定の半導体デバイスの電圧を測定する場合、ATE のデジタル信号処理 (DSP) 機器は電圧を直接測定し、その結果を信号処理用のコンピュータに送信して、目的の値を計算します。この例は、電流計などの従来の機器は、機器が実行できる測定回数が限られていることと、機器を使用して測定を行うのにかかる時間のために、多くの ATE で使用されない可能性があることを示しています。 DSP を使用してパラメータを測定する主な利点の 1 つは時間です。電気信号のピーク電圧と信号のその他のパラメータを計算しなければならない場合、ピーク検出機器とその他の機器を使用して、その他のパラメータをテストする必要があります。ただし、DSP ベースの機器を使用する場合は、信号のサンプルが作成され、1 回の測定からその他のパラメータを計算できます。

すべてのデバイスが同じようにテストされるわけではありません。テストにはコストがかかるため、低コストのコンポーネントが完全にテストされることはほとんどありませんが、医療用または高コストのコンポーネント（信頼性が重要）は頻繁にテストされます。

しかし、デバイスの機能とエンド ユーザーによっては、すべてのパラメーターについてデバイスをテストする必要がある場合と、そうでない場合があります。たとえば、デバイスが医療用または救命用製品に適用される場合は、多くのパラメーターをテストする必要があり、一部のパラメーターは保証される必要があります。ただし、テストするパラメーターを決定することは、コストと歩留まりに基づく複雑な決定です。デバイスが数千のゲートを持つ複雑なデジタル デバイスである場合は、テストの障害範囲を計算する必要があります。ここでも、テストの経済性、デバイスの I/O の頻度、数、タイプ、およびエンド ユース アプリケーションに基づく決定は複雑です...

ATE は、パッケージ化された部品 (一般的な IC チップ) またはシリコン ウェーハ上で直接使用できます。パッケージ化された部品は、ハンドラーを使用してデバイスをカスタマイズされたインターフェイス ボードに配置しますが、シリコン ウェーハは高精度プローブを使用して直接テストされます。ATE システムは、ハンドラーまたはプローバーと対話して DUT をテストします。

ATE システムは通常、「ハンドラ」と呼ばれる自動配置ツールとインターフェイスします。ハンドラは、テスト対象デバイス (DUT) をインターフェイス テスト アダプタ (ITA) に物理的に配置して、機器で測定できるようにします。インターフェイス テスト アダプタ (ITA) は、ATE とテスト対象デバイス (テスト対象ユニットまたは UUT とも呼ばれます) 間の電子接続を行うだけのデバイスですが、ATE と DUT 間の信号を適合させる追加回路を備え、DUT をマウントするための物理的な機能を備えている場合もあります。最後に、ソケットはITA と DUT 間の接続をブリッジするために使用されます。ソケットは製造現場の厳しい要求に耐える必要があるため、通常は頻繁に交換されます。

シンプルな電気インターフェース図: ATE → ITA → DUT (パッケージ) ← ハンドラー

ウェーハベースの ATE では通常、シリコン ウェーハ上を移動してデバイスをテストする プローバーと呼ばれるデバイスを使用します。

シンプルな電気インターフェース図: ATE → プローバー → ウェーハ (DUT)

テスト時間を短縮する方法の 1 つは、複数のデバイスを一度にテストすることです。ATE システムは現在、ATE リソースが各サイトで共有される複数の「サイト」をサポートできます。一部のリソースは並行して使用できますが、その他のリソースは各 DUT にシリアル化する必要があります。

ATEコンピュータは、最新のコンピュータ言語（C、C++、Java、VEE、Python、LabVIEW、Smalltalkなど）と追加のステートメントを使用して、標準および独自のアプリケーションプログラミングインターフェイス（API）を介してATE機器を制御します。また、 Abbreviated Test Language for All Systems （ATLAS）などの専用のコンピュータ言語も存在します。自動テスト機器は、 NIのTestStandなどのテスト実行エンジンを使用して自動化することもできます。 ^[3]

一連 のテストの設計を支援するために、自動テスト パターン生成が使用されることがあります。

半導体業界で使用される多くのATEプラットフォームは、標準テストデータフォーマット（STDF） を使用してデータを出力します。

自動テスト機器診断は、ATE テストの一部であり、故障したコンポーネントを判別します。ATE テストは、2 つの基本的な機能を実行します。1 つ目は、テスト対象デバイスが正しく動作しているかどうかをテストすることです。2 つ目は、DUT が正しく動作していない場合に、その理由を診断することです。診断部分は、テストの中で最も困難でコストのかかる部分です。ATE では、通常、障害をコンポーネントのクラスターまたはあいまいなグループに減らします。これらのあいまいなグループを減らすのに役立つ 1 つの方法は、 ATE システムにアナログ シグネチャ分析テストを追加することです。診断は、フライング プローブテストの使用によって補助されることがよくあります。

テスト システムの構成に高速スイッチング システムを追加すると、複数のデバイスをより高速かつコスト効率よくテストできるようになり、テスト エラーとコストの両方を削減できます。テスト システムのスイッチング構成を設計するには、スイッチングする信号と実行するテスト、および使用可能なスイッチング ハードウェア フォーム ファクターを理解する必要があります。

現在、自動化された電子テストおよび測定システムを構成するために、いくつかのモジュール式電子計測プラットフォームが一般的に使用されています。これらのシステムは、電子デバイスおよびサブアセンブリの入荷検査、品質保証、および製造テストに広く使用されています。業界標準の通信インターフェイスは、多くの場合、外部 PC で実行されるカスタム ソフトウェア アプリケーションによって制御される、「ラック アンド スタック」またはシャーシ/メインフレーム ベースのシステムで信号ソースと測定機器をリンクします。

GPIB (汎用インタフェース バス) は、IEEE-488 (米国電気電子技術者協会が作成した規格) 標準パラレル インタフェースで、センサーやプログラム可能な計測器をコンピュータに接続するために使用されます。GPIB は、8 MB/秒を超えるデータ転送が可能なデジタル 8 ビット パラレル通信インタフェースです。24 ピン コネクタを使用して、最大 14 台の計測器をシステム コントローラにデイジー チェーン接続できます。計測器で使用される最も一般的な I/O インタフェースの 1 つで、計測器制御アプリケーション専用に設計されています。IEEE-488 仕様では、このバスを標準化し、電気的、機械的、機能的な仕様を定義したほか、基本的なソフトウェア通信ルールも定義しました。GPIB は、計測器制御のために堅牢な接続を必要とする産業環境でのアプリケーションに最適です。

オリジナルの GPIB 規格は、1960 年代後半に Hewlett-Packard 社が自社で製造したプログラム可能な計測器を接続および制御するために開発されました。デジタル コントローラとプログラム可能なテスト機器の導入により、さまざまなベンダーの計測器とコントローラ間の通信に標準の高速インタフェースが必要になりました。1975 年に IEEE は、インタフェース システムの電気的、機械的、および機能的仕様を含む、ANSI/IEEE 規格 488-1975、プログラム可能な計測器用の IEEE 標準デジタル インタフェースを発行しました。この規格はその後、1978 年 (IEEE-488.1) および 1990 年 (IEEE-488.2) に改訂されました。IEEE 488.2 仕様には、各計測器クラスが従う必要のある特定のコマンドを定義するプログラム可能な計測器用の標準コマンド (SCPI) が含まれています。SCPI は、これらの計測器間の互換性と構成可能性を保証します。

IEEE-488 バスは、使い方が簡単で、プログラム可能な計測器や刺激を幅広く利用できることから、長い間人気を博してきました。ただし、大規模なシステムには次のような制限があります。

• ドライバーのファンアウト容量により、システムは 14 個のデバイスと 1 つのコントローラーに制限されます。
• ケーブルの長さにより、コントローラとデバイス間の距離は、デバイスごとに 2 メートル、または合計 20 メートルのいずれか短い方に制限されます。これにより、室内に分散しているシステムやリモート測定を必要とするシステムでは伝送の問題が発生します。
• プライマリアドレスは、プライマリアドレスを持つデバイスを30台までに制限します。現代の機器はセカンダリアドレスをほとんど使用しないため、システムサイズは30台に制限されます。^[4]

LXI規格は、イーサネットを使用した計測およびデータ取得システムの通信プロトコルを定義します。これらのシステムは、低コストのオープン スタンダード LAN (イーサネット) を使用する小型のモジュール式計測器に基づいています。LXI 準拠の計測器は、カード ケージ アーキテクチャのコストとフォーム ファクタの制約を受けることなく、モジュール式計測器のサイズと統合の利点を提供します。イーサネット通信を使用することで、LXI 規格は、幅広い商用、工業用、航空宇宙、軍事アプリケーションで柔軟なパッケージング、高速 I/O、および LAN 接続の標準化された使用を可能にします。すべての LXI 準拠の計測器には、非 LXI 計測器との通信を簡素化する Interchangeable Virtual Instrument (IVI) ドライバが含まれているため、LXI 準拠のデバイスは、LXI 準拠ではないデバイス (GPIB、VXI、PXI などを使用する計測器) と通信できます。これにより、計測器のハイブリッド構成の構築と操作が簡素化されます。

LXI 計測器は、テストおよび測定アプリケーションを構成するために、組み込みのテスト スクリプト プロセッサを使用したスクリプトを使用する場合があります。スクリプトベースの計測器は、多くのアプリケーションでアーキテクチャの柔軟性、パフォーマンスの向上、コストの削減を実現します。スクリプトは LXI 計測器の利点を高め、LXI はスクリプトを有効にし、強化する機能を提供します。現在の計測器の LXI 標準では、計測器がプログラム可能であることやスクリプトを実装することは要求されていませんが、LXI 仕様のいくつかの機能はプログラム可能な計測器を想定しており、LXI 準拠の計測器でのスクリプト機能を強化する便利な機能を提供します。^[5]

VXIバス アーキテクチャは、VMEbusに基づく自動テスト用のオープン スタンダード プラットフォームです。 1987 年に導入された VXI は、すべての Eurocard フォーム ファクタを使用し、トリガー ライン、ローカル バス、および測定アプリケーションに適したその他の機能を追加しています。 VXI システムは、さまざまな VXI 計測器モジュールをインストールできる最大 13 個のスロットを備えたメインフレームまたはシャーシに基づいています。^[6]シャーシは、シャーシとその中に含まれる計測器のすべての電源と冷却要件も提供します。 VXI バス モジュールの高さは通常6Uです。

PXIは、データ取得およびリアルタイム制御システムに特化した周辺バスです。1997年に導入されたPXIは、CompactPCI 3Uおよび6Uフォームファクタを使用し、トリガーライン、ローカルバス、および測定アプリケーションに適したその他の機能を追加します。PXIハードウェアおよびソフトウェア仕様は、PXI Systems Allianceによって開発および管理されています。^[7]世界中で50を超えるメーカーがPXIハードウェアを製造しています。^[8]

USB は、キーボードやマウスなどの周辺機器を PC に接続します。USB は、 1 つのポートで最大 127 台のデバイスを処理できるプラグ アンド プレイバスで、理論上の最大スループットは 480 Mbit/s です (USB 2.0 仕様で定義されている高速 USB)。USB ポートは PC の標準機能であるため、従来のシリアル ポート テクノロジの自然な進化と言えます。ただし、USB ケーブルは産業グレードではない、ノイズに敏感、誤って外れる可能性がある、コントローラとデバイス間の最大距離は 30 m であるなど、さまざまな理由から、産業用テストおよび測定システムの構築には広く使用されていません。RS -232と同様に、USB は、堅牢なバス接続を必要としない実験室環境でのアプリケーションに役立ちます。

RS-232 は、分析機器や科学機器、プリンタなどの周辺機器の制御によく使用されるシリアル通信の仕様です。GPIB とは異なり、RS-232 インターフェイスでは、一度に 1 つのデバイスのみを接続して制御できます。また、RS-232 は比較的低速なインターフェイスで、一般的なデータ レートは 20 KB/秒未満です。RS-232 は、低速で堅牢性の低い接続と互換性のある研究室アプリケーションに最適です。±24 ボルト電源で動作します。

バウンダリスキャンは、IC のピンを制御し、テスト対象 (UUT) の連続性 (相互接続) テストや、ロジックデバイスまたはデバイスグループの機能クラスターテストを容易にする目的で、PCB レベルまたはシステムレベルのインターフェイスバスとして実装できます。また、IC 自体に組み込むことができる他の計測器 (IEEE 1687 を参照) や、外部制御可能なテストシステムの一部である計測器の制御インターフェイスとしても使用できます。

最近開発されたテスト システム プラットフォームの 1 つでは、オンボード テスト スクリプト プロセッサと高速バスを組み合わせた計測器が採用されています。このアプローチでは、1 つの「マスター」計測器がテスト スクリプト (小さなプログラム) を実行し、テスト システム内のさまざまな「スレーブ」計測器の動作を制御します。この「スレーブ」計測器は、高速 LAN ベースのトリガー同期およびユニット間通信バスを介してリンクされています。スクリプトとは、一連のアクションを調整するためにスクリプト言語でプログラムを作成することです。

このアプローチは、テストおよび測定アプリケーションに特有の小さなメッセージ転送に最適化されています。ネットワーク オーバーヘッドが非常に少なく、データ レートが 100 Mbit/秒であるため、実際のアプリケーションでは GPIB や 100BaseT Ethernet よりも大幅に高速です。

このプラットフォームの利点は、接続されたすべての計測器が 1 つの緊密に統合されたマルチチャンネル システムとして動作するため、ユーザーはコスト効率よく必要なチャンネル数に合わせてテスト システムを拡張できることです。このタイプのプラットフォームで構成されたシステムは、マスター ユニットがソース、測定、合否判定、テスト シーケンス フロー制御、ビニング、およびコンポーネント ハンドラーまたはプローバーを制御することで、完全な測定および自動化ソリューションとして独立できます。専用のトリガー ラインをサポートしているため、この高速バスでリンクされたオンボード テスト スクリプト プロセッサを備えた複数の計測器間の同期操作を、追加のトリガー接続を必要とせずに実現できます。^[9]

• オープンアーキテクチャテストシステムのシステム統合（アーカイブ）
• ATE 自動テストの基礎。
• 自動試験システムにおけるケーブル損失の影響
• GPIB 101A チュートリアル GPIB バスについて (アーカイブ)
• 自動テスト システムとアプリケーションに関する書籍の一覧 (アーカイブ)