「自動試験装置 」とは何ですか？

エンジニアは、これらのテストを用いて部品が設計通りに動作していることを検証します。また、自動化技術を活用することで、テストが迅速かつ一貫して実行され、結果が統一された基準で評価されるようにしています。ATEシステム（自動試験装置システムとも呼ばれる）には、コンピュータ制御のデジタルマルチメーターから、故障診断機能も備えた複数の計測器を組み合わせた装置まで、さまざまな種類があります。ATEシステムが一般的な試験システムと一線を画す点は、電子部品の機能性を評価するために高度な自動化技術が採用されていることです。

半導体テストエンジニアは、テスト対象の部品を「被テストデバイス（DUT）」、「被テスト機器（EUT）」、または「被テストユニット（UUT）」と呼びます。電子機器製造業界では、製造工程中および製造後に、ウェーハ、チップ、パッケージ、モジュール、基板を評価するためにATEシステムが使用されています。 その目的は、プロセスの可能な限り早い段階で問題を特定し、可能な場合は欠陥を修正し、割り当てられた機能を適切に果たせない部品を取り除くことにある。 

特定のATEで使用される装置は、被試験部品や試験の種類によって異なります。例えば、シリコンウェハー上の集積回路（IC）の試験では、ウェハーが個々の部品に切断される前に、電子測定装置に取り付けられたプローブカードが各マイクロ・チップ に接触して試験を行います。一方、インサーキット試験システムは、プリント基板（PCB）上の部品の動作を検査します。

構成にかかわらず、すべてのATEシステムには以下のコンポーネントが含まれています：

• 制御ハードウェア：ATEの中枢となるのは、制御コンピュータおよび関連ハードウェアであり、通常は産業用コンピュータ、電源装置、ならびに信号源や試験機器に接続する高速通信カードで構成されています。
• ソフトウェア：コンピュータ プログラムにより、電子試験プロセス全体が自動化されます。システムによっては、LabVIEWのような独自のテスト用プログラミング言語を使用する場合もあれば、C++、Java、Visual Basic、Pythonなどの一般的なプログラミング言語を使用する場合もあります。
• ハンドラーまたはプローバー： 被試験デバイス（DUT）を試験用の治具まで搬送するために使用されるロボットシステム 。ウェーハの場合、ハンドラーはウェーハをプローブヘッドの下まで移動させ、プローブヘッドがウェーハ上の各チップに接触できるようにする。
• 信号源：さまざまなアナログおよびデジタルデバイスがテストパターンを生成します。制御コンピュータは、波形生成とテストプローブへの信号ルーティングを管理します。信号源は、多くの場合、試験装置の一部となっています。
• 試験機器： デジタルオシロスコープやデジタルマルチメーターなどのコンピュータ制御の試験装置を用いて、各試験パターンによって生成される出力信号を測定します。
• テストプローブ： 入力信号と出力信号の両方は、 被試験装置（DUT）上の導電パッドと物理的に接触するプローブ（通常は小さなピン）に送られ、そこから測定されます。 

電子システムの自動テストは、設計と製造の両方において不可欠な要素です。設計チームは、製品開発プロセスにおいて「テストを考慮した設計（DFT）」の原則に基づき、設計中のハードウェアを検証するために必要なテストプログラムを決定します。その後、テスト装置のプローブを接続する位置を指定し、回路をプローブポイントまで配線します。また、必要なテストパターンを定義し、その情報を回路レイアウトとともに提供します。

テストエンジニアがATEシステムを用いて実施するテストの種類は、部品の種類や組立の複雑さによって異なり、ウェハー上のダイ からプリント基板に至るまで多岐にわたります。

よく見られる試験の種類には、次のようなものがあります：

• ウェーハの検査： ロボットハンドラーが カセットからウェーハを取り出し、テストヘッドの下に正確に移動させます。これにより、プローブがウェーハ上の各ダイ に接触し、検査が行われます。
• パッケージ試験：集積回路が組み立てられ、パッケージに封入されると、ATEシステムによってそのパッケージの試験が行われ、すべてのワイヤボンディング、コネクタ、はんだボール、およびその他の部品が正常に機能していること、また組み立て工程で損傷が生じていないことを確認します。
• インサーキットテスト（ICT）およびフライングプローブテスト：PCBは 組み立て後にテストされ、基板内の回路が正常であることを確認し、すべての接続が適切に機能していることを保証します。
• 機能テスト（FCT）： ATEテストの中で最も 複雑なタイプであり 、デバイスに電源を供給し、制御ソフトウェアを使用して、回路そのものだけでなく、回路の仕様通りの動作も検証するテストを実行させるものです。
• バーンイン試験：多くの場合 、製品出荷前の最後の試験となるこの耐久試験は、通常、最大出力かつ高温条件下で実施される。
• システムレベルテスト（SLT）：SLTは、機能モックアップ環境において多数のデバイスを並行して実行することができ、各デバイスが一定期間「通常の」機能動作を行うことが可能となる。

ATE試験は、試験の種類にかかわらず、通常、以下のプロセスに従います。

• 位置： 被試験装置（DUT）をテストフィクスチャに設置するか 、プローブヘッドをウェーハ上のダイ の位置に移動させます。
• 接続：DUTの複数の箇所で電気的接続を行うか、機能インターフェースに接続します。
• 実行：テストパターンと呼ばれる電気信号をDUTに送信する。
• データ収集：必要に応じて測定を行う。
• 評価： 診断機能を使用して 、出力に不具合がないか確認する。
• 仕分け： どの集積回路チップに問題があるかを特定するか 、 を使用して、オペレーターに対し、DUTを次の工程へ移す、リワーク用ビンに入れる、またはDUTを不合格とするよう指示する。

各社は、自社が製造する電子システムがライフサイクル全体を通じて意図したとおりに機能し、性能を発揮することを保証するために、ATEシステムを導入しています。半導体デバイスは、その極めて高い複雑さと大量生産という特性から、手動によるテストは現実的な手法とは言えません。

ATEシステムを活用した試験体制の主な利点は、以下の通りです。

• 高スループット：組立ライン上に複数のATEシステムを並列に配置することで、数百個、さらには数千個の部品を同時にテストすることができます。同様に、ATEのリソース要件に応じて、複数のDUTを同時にテストすることも可能です。これは、マルチサイトテストと呼ばれることもあります。
• 処理速度の向上： ロボット技術とソフトウェアを活用した自動化により 、生産プロセスのあらゆる段階で高速な試験機能を実現し、各部品の試験時間を短縮します。
• 人為的ミスの排除と再現性の確保： ATE（自動試験装置）を用いた試験は、その一貫性と再現性により 、人為的ミスを効果的に排除し、各試験の再現性を確保することで、半導体業界で採用されている厳格なシックスシグマの品質基準を満たしています。
• ロギングと分析： ATEシステムは、単純な「合格」または「不合格」の判定にとどまらず 、トレーサビリティ、統計的工程管理（SPC）、および予測分析を可能にする形でデータを収集します。
• 安全性：一部の 試験では 、危険なほど高い電圧や、極端に高い温度・低い温度が必要となります。自動化により、人間がこうした危険にさらされる必要がなくなります。
• 費用対効果：企業は 、ATEシステムの設計および導入に多額の初期投資を行いますが、そのコストは数千、場合によっては数百万個の部品に分散されるためです。また、ATEシステムがモジュール式でプログラム可能な構造であるため、専用のテスターにかかる高額なコストを回避することもできます。 

現在ではほぼすべての業界で電子機器が使用されているため、ほとんどの業界で、部品の検証に何らかの形のATEシステムが採用されています。製品のライフサイクル全体を通じて信頼性と性能が求められる業界において、ATEは不可欠なものとなっています。

以下の業界は、自社製品においてATEシステムを最も多く採用している業界です：

• 半導体業界： チップレベルにおいて 、半導体業界では、スループットを維持しつつテストコストを削減するためにATEシステムを採用しています。その主な目的は、ウェハー上のダイを選別し、パッケージ化された部品が期待どおりに動作していることを検証すると同時に、歩留まりを最大化することです。
• 自動車産業：自動車の システムには、電子機器の増加に伴い、引き続き電子技術が組み込まれています。これには、電子制御ユニット（ECU）、自動運転システム、バッテリー管理システム、そして増え続ける各種センサーなどが含まれます。これらの各システムは、ATE（自動試験装置）を用いた試験を通じて検証される、厳格な安全基準を満たさなければなりません。
• 航空宇宙・防衛： 航空機、宇宙機、および兵器システムに搭載される 電子システムは 、任務の成否を左右する重要な要素であり、過酷な環境下でも動作しなければなりません。衛星の飛行用ハードウェア、アビオニクスシステム、フライ・バイ・ワイヤ制御システム、および多数のセンサーといった電子システムは、業界の厳しい安全性および信頼性基準を満たすため、飛行段階に入る前に試験を行う必要があります。
• 通信：通信業界では 、世界中で、あるいはスマートウォッチとスマートフォンの間で信号を送受信するために、電子部品が不可欠となっています。この業界における自動テストでは、デジタル回路やアナログ回路に加え、放送信号にも対応する必要があります。
• 民生用電子機器： 民生用電子機器業界では、生産量が 膨大であり、市場投入までの期間が短縮されているため、生産コストの削減や保証費用の低減には、ATEシステムによる試験が不可欠となっています。 

エンジニアは設計段階で、電子部品の設計、テストパターンの開発と検証、および試験装置の設計と最適化を行うために、多種多様なソフトウェアツールを活用しています。ATEの利用が拡大するにつれ、テストエンジニアたちは、テストを支援する単一のEDAワークフローを持つことが単なる利点にとどまらず、コスト、品質、市場投入までの期間といった目標を達成するための必須要件であることに気づきました。

包括的なテスト設計（DfT）ソリューションの代表的な例として、シノプシス 社のTestMAX™製品ファミリーが挙げられます。TestMAX ソフトウェアは、高度に構成可能なテスト自動化ワークフローを提供し、多種多様なコンポーネントに対応するとともに、テストを物理的要件、タイミング要件、および電力要件に整合させます。この シノプシス TestMAX テストパターン生成 この製品ファミリーには、アナログ故障シミュレーション、階層型自動テストパターン生成（ATPG）圧縮、ロジック内蔵自己診断（BIST）、メモリの自己診断および修復、物理的要因を考慮した診断、およびテスト可能性解析のためのツールが含まれています。これらの機能を組み合わせることで、エンジニアは、急速に進化する今日の産業において最も困難なテストの課題に対処する力を得ることができます。

また、エンジニアたちは、自社コンポーネントのテスト効率と信頼性を向上させるために、他のEDAツールも活用しています。シノプシス のSHS IPソフトウェアやシノプシス のSMS IPソフトウェアといった設計要素は、回路設計に統合され、プロセッサやメモリのテストに必要な機能を組み込むことができます。

多くのテスト形態では、PCIeやUSBインターフェースを介して送信される高速・高帯域幅の信号が必要となります。エンジニアは、シノプシス のSLM High Speed Access & Test（HSAT）に類似したパッケージと シノプシス TestMAX ALEソフトウェアを組み合わせて使用し、PCIeやUSBなどの標準インターフェースを活用して、チップパッケージ（特にシステムオンチップ（SoC）パッケージ）との間でテスト、デバッグ、およびモニタリングデータの送受信を行い、多数のインターフェースピンやテストピンの設置を回避しています。 

さらに、 シノプシス PrimeSim ソフトウェアなどのシミュレーションツールが、量産前の仮想試験に活用されています。設計チームはさらに、マルチフィジックス のシミュレーション製品、例えばAnsys の「Icepak」電子機器冷却シミュレーションソフトウェア、Ansys の「Sherlock」電子機器信頼性予測ソフトウェア、およびAnsys の機械構造有限要素解析ソフトウェアなどを活用して、試験環境をモデル化し、DUTが取り扱いによる損傷、プローブによる機械的応力 、あるいは高出力信号印加時の過熱によって損傷を受けないことを保証しています。

ATE向けの強力なシミュレーションツールセットを構築する上で、もう1つの重要な要素は、テラダインや アドバンテストなどのベンダーが提供するものを含め、広く利用されているATEプラットフォームとの統合です。このような連携により、設計段階で開発されたテスト内容がテスターのアーキテクチャと整合し、製造テストにおいて一貫性を持って効果的に適用できるようになります。