자동 테스트 장비란 무엇인가요?

엔지니어들은 이러한 테스트를 통해 부품이 설계된 대로 작동하는지 확인하며, 자동화 기술을 활용하여 테스트가 신속하고 일관되게 수행되고 결과가 균일하게 평가되도록 합니다. ATE 시스템(자동화 테스트 장비 시스템이라고도 함)은 컴퓨터가 연동된 디지털 멀티미터부터 결함 진단 기능까지 갖춘 다중 계측기 어셈블리에 이르기까지 그 범위가 다양합니다. ATE 시스템이 일반적인 테스트 시스템과 차별화되는 점은 전자 부품의 기능성을 평가하는 데 높은 수준의 자동화 기술이 적용된다는 것입니다.

반도체 테스트 엔지니어들은 테스트 대상인 부품 하나 또는 여러 개를 ‘테스트 대상 장치(DUT)’, ‘테스트 대상 장비(EUT)’, 또는 ‘테스트 대상 유닛(UUT)’이라고 부릅니다. 전자 제조 업계에서는 ATE 시스템을 사용하여 제조 공정 중 및 제조 완료 후 웨이퍼, 칩, 패키지, 모듈, 기판을 평가합니다. 이는 공정 초기에 문제를 조기에 파악하고, 가능한 경우 결함을 수정하며, 할당된 기능을 제대로 수행하지 못하는 부품을 제거하는 것을 목표로 합니다. 

특정 ATE에 사용되는 장비는 테스트 대상 부품과 테스트 유형에 따라 달라집니다. 예를 들어, 실리콘 웨이퍼상의 집적 회로(IC) 테스트는 웨이퍼가 개별 칩으로 절단되기 전에 각 마이크로칩에 접촉하는 전자 측정 장비에 부착된 프로브 카드(probe card)를 사용합니다. 인서킷 테스트(In-Cercuit Test) 시스템은 인쇄 회로 기판(PCB) 상의 부품 동작을 검사합니다.

구성에 관계없이 모든 ATE 시스템에는 다음과 같은 구성 요소가 포함됩니다:

• 제어 하드웨어: ATE의 핵심은 제어 컴퓨터와 관련 하드웨어로, 일반적으로 산업용 컴퓨터, 전원 공급 장치, 그리고 신호 소스 및 시험 장비에 연결되는 고속 통신 카드로 구성됩니다.
• 소프트웨어: 컴퓨터 프로그램은 전자 테스트 공정 전체를 자동화합니다. 일부 시스템은 LabVIEW와 같은 전용 테스트 소프트웨어 언어를 사용하는 반면, 다른 시스템은 C++, Java, Visual Basic 또는 Python과 같은 일반적인 프로그래밍 언어를 사용하기도 합니다.
• 핸들러 또는 프로버: 테스트를 위해 DUT를 테스트 픽스처로 이송하는 로봇 시스템입니다. 웨이퍼 테스트의 경우, 프로버가 웨이퍼를 프로브 헤드 아래로 이동·정렬하여 프로브 헤드가 웨이퍼상의 각 다이와 접촉하도록 합니다.
• 신호 소스: 다양한 아날로그 및 디지털 장치가 테스트 패턴을 생성합니다. 제어 컴퓨터는 파형 생성과 테스트 프로브로의 신호 라우팅을 관리합니다. 신호 소스는 대개 테스트 장비의 일부입니다.
• 시험 장비: 디지털 오실로스코프나 디지털 멀티미터와 같은 컴퓨터 제어식 시험 장비를 사용하여 각 시험 패턴에서 생성된 출력 신호를 측정합니다.
• 테스트 프로브: 입력 신호와 출력 신호 모두 DUT의 도전 패드와 물리적으로 접촉하는 프로브(일부 소형 핀)로 전송되어 측정됩니다. 

전자 시스템의 자동화 테스트는 설계와 제조 모두에 필수적인 요소입니다. 설계 팀은 제품 개발 과정에서 ‘테스트 용이화 설계(DFT)’ 원칙을 적용하여, 설계 중인 하드웨어를 검증하는 데 필요한 테스트 프로그램을 결정합니다. 그런 다음 테스트 장비의 프로브가 연결될 위치를 지정하고, 회로를 프로브 지점으로 연결합니다. 또한 필요한 테스트 패턴을 정의하고, 해당 정보를 회로 레이아웃과 함께 제공합니다.

테스트 엔지니어들이 ATE 시스템을 사용하여 수행하는 테스트 유형은 부품의 종류와 조립의 복잡성에 따라 달라지며, 웨이퍼 상의 다이 부터 인쇄 회로 기판에 이르기까지 다양합니다.

가장 흔한 시험 유형으로는 다음과 같은 것들이 있습니다:

• 웨이퍼 테스트: 로봇 핸들러가 카세트에서 웨이퍼를 꺼낸 다음, 테스트 헤드 바로 아래로 정밀하게 이동시켜 프로브가 웨이퍼상의 각 다이에 접촉하여 테스트를 수행하도록 합니다.
• 패키지 테스트: 집적 회로의 조립과 패키징이 완료되면, ATE 시스템을 통해 완성된 패키지를 테스트하여 모든 와이어 본드, 커넥터, 솔더 볼 및 기타 구성 요소가 정상적으로 작동하며 조립 과정에서 손상이 발생하지 않았는지 확인합니다.
• 인서킷 테스트(ICT) 및 플라잉 프로브 테스트: PCB 조립 후 테스트를 진행하여 기판 내 회로를 검증하고 모든 연결이 정상적으로 작동하는지 확인합니다.
• 기능 테스트(FCT): ATE 테스트 중 가장 복잡한 유형으로 , 장치에 전원을 공급한 후 제어 소프트웨어를 사용하여 회로 자체뿐만 아니라 회로의 지정된 동작까지 검증하는 테스트를 수행하게 하는 방식입니다.
• 번인 테스트: 제품 출하 전 마지막으로 실시되는 테스트인 경우가 많은 이 내구성 테스트는 대개 최대 전력 상태와 높은 온도에서 수행됩니다.
• 시스템 수준 테스트(SLT): SLT는 기능 모형 환경에서 다수의 장치를 동시에 테스트할 수 있으며, 이를 통해 장치들이 일정 기간 동안 “정상적인” 기능을 수행할 수 있게 합니다.

ATE 테스트는 테스트 유형에 관계없이 일반적으로 다음과 같은 단계를 거칩니다.

• 배치: DUT를 테스트 픽스처에 장착하거나 프로브 헤드를 웨이퍼 상의 다이로 이동시킵니다.
• 연결: DUT와 여러 지점에서 전기적으로 연결하거나 기능적 인터페이스에 연결합니다.
• 실행: 테스트 패턴이라고 하는 전기 신호를 DUT로 전송합니다.
• 데이터 수집: 필요에 따라 측정을 수행합니다.
• 평가: 진단 기능을 사용하여 출력에 오류가 있는지 확인합니다.
• 분류(Sort): 어떤 집적회로(IC) 칩에 결함이 있는지 식별하고, 핸들러에 신호를 보내 DUT를 다음 단계로 이동시키거나 재작업 빈으로 보내거나 불량 처리하도록 지시합니다.

기업들은 자사가 생산하는 전자 시스템이 수명 주기 전반에 걸쳐 의도된 대로 작동하고 성능을 발휘하도록 보장하기 위해 ATE 시스템을 도입합니다. 반도체 소자는 매우 복잡하고 생산량이 많기 때문에 수동 테스트는 현실적인 접근 방식이 아닙니다.

ATE 시스템을 활용한 테스트 체제의 가장 일반적인 이점은 다음과 같습니다.

• 높은 처리량: 조립 라인에 여러 대의 ATE 시스템을 병렬로 배치하여 수백 개, 심지어 수천 개의 부품을 동시에 테스트할 수 있습니다. 마찬가지로, ATE 자원 요구 사항에 따라 여러 대의 DUT를 동시에 테스트할 수도 있습니다. 이를 때로는 ‘다중 사이트 테스트’라고도 합니다.
• 속도 향상: 로봇 공학 및 소프트웨어를 활용한 자동화는 생산 공정의 모든 단계에서 고속 테스트 기능을 제공하여 각 부품의 테스트 시간을 단축합니다.
• 인적 오류 방지 및 재현성 확보: ATE 기반 테스트의 일관되고 재현 가능한 특성은 인적 오류를 효과적으로 제거하고 각 테스트의 재현성을 보장함으로써, 반도체 업계에서 적용하는 엄격한 식스 시그마(Six Sigma) 품질 기준을 충족시킵니다.
• 로깅 및 분석: ATE 시스템은 단순한 합격/불합격 판정 대신 , 추적성, 통계적 공정 관리(SPC), 예측 분석을 가능하게 하는 방식으로 데이터를 수집합니다.
• 안전: 일부 시험은 위험할 정도로 높은 전압이나 극도로 높은 온도 및 낮은 온도를 필요로 합니다. 자동화를 통해 사람이 이러한 위험에 노출될 필요가 없어집니다.
• 비용 효율성: 기업들은 ATE 시스템의 설계 및 구축에 상당한 초기 투자를 단행하는데, 이는 해당 비용이 수천 개, 때로는 수백만 개에 달하는 부품에 분산되기 때문입니다. 또한 ATE 시스템의 모듈식 구조와 프로그래밍 가능성은 특수 테스트 장비에 드는 높은 비용을 피할 수 있게 해줍니다. 

현재 거의 모든 산업 분야에서 전자 기기를 사용하고 있기 때문에, 대부분의 산업에서는 부품을 검증하기 위해 어떤 형태의 ATE 시스템을 활용하고 있습니다. ATE는 제품 수명 주기 전반에 걸쳐 신뢰성과 성능이 요구되는 산업 분야에서 필수적인 요소가 되었습니다.

다음과 같은 산업 분야는 자사 제품에 ATE 시스템을 가장 많이 사용하는 분야입니다:

• 반도체 산업: 칩 수준에서 반도체 산업은 처리량을 유지하면서 테스트 비용을 절감하기 위해 ATE 시스템을 사용합니다. 주요 목표는 웨이퍼에 부착된 상태의 다이를 선별하고, 패키징된 부품이 예상대로 작동하는지 확인하는 동시에 수율을 극대화하는 것입니다.
• 자동차 산업: 차량에는 점점 더 많은 전자 장치가 탑재되면서 시스템에 전자 기술이 지속적으로 통합되고 있습니다. 여기에는 전자 제어 장치(ECU), 자율 주행 시스템, 배터리 관리 시스템, 그리고 점점 더 많아지는 센서들이 포함됩니다. 이러한 각 시스템은 ATE 기반 테스트를 통해 검증된 엄격한 안전 기준을 충족해야 합니다.
• 항공우주 및 방위 산업: 항공기, 우주선 및 무기 체계에 탑재된 전자 시스템은 임무 수행에 필수적이며 극한 환경에서도 작동해야 합니다. 위성 비행 하드웨어, 항공 전자 시스템, 플라이-바이-와이어 제어 시스템, 다양한 센서 등의 전자 시스템은 업계의 엄격한 안전 및 신뢰성 기준을 충족하기 위해 비행 단계에 진입하기 전에 반드시 테스트를 거쳐야 합니다.
• 통신: 통신 산업은 전 세계 또는 스마트워치와 스마트폰 간에 신호를 송수신하기 위해 전자 부품에 크게 의존하고 있습니다. 이 업계의 자동 테스트는 디지털 및 아날로그 회로는 물론 방송 신호까지 처리할 수 있어야 합니다.
• 가전제품: 가전제품 업계의 막대한 생산량과 단축된 출시 기간으로 인해, 생산 비용을 절감하고 보증 비용을 낮추기 위해서는 ATE 시스템 테스트가 필수적입니다. 

엔지니어들은 설계 단계에서 전자 부품을 설계하고, 테스트 패턴을 개발 및 검증하며, 테스트 장비를 설계하고 최적화하기 위해 다양한 소프트웨어 도구를 사용합니다. ATE 사용이 증가함에 따라, 테스트 엔지니어들은 테스트를 지원하는 단일 EDA 워크플로우를 갖추는 것이 단순한 이점이 아니라, 비용, 품질 및 시장 출시 기간 목표를 달성하기 위한 필수 요건이라는 사실을 깨닫게 되었습니다.

포괄적인 DFT(Design-for-Test) 솔루션의 대표적인 예로는 Synopsys TestMAX™ 제품군이 있습니다. TestMAX 소프트웨어는 다양한 컴포넌트를 지원하고 물리적, 타이밍 및 전력 요구사항에 테스트를 최적화하는 유연한 구성의 테스트 자동화 워크플로우를 제공합니다. Synopsys TestMAX 제품군에는 아날로그 결함 시뮬레이션, 계층형 ATPG(Automatic Test Pattern Generation) 압축, 로직 BIST(Built-In Self-Test), 메모리 자체 테스트 및 복구, 물리 인지 진단, 테스트 가능성 분석을 위한 도구들이 포함되어 있습니다. 이러한 기능들을 통해 엔지니어는 급변하는 오늘날의 산업 환경에서 가장 까다로운 테스트 과제를 효과적으로 해결할 수 있습니다.

엔지니어들은 또한 자사 부품의 테스트 효율성과 신뢰성을 높이기 위해 다른 EDA 도구들을 활용합니다. Synopsys  SHS IP 소프트웨어 및 Synopsys SMS IP 소프트웨어와 같은 설계 요소들은 회로 설계에 통합되어, 프로세서와 메모리 테스트에 필요한 기능을 내장합니다.

다양한 형태의 테스트에는 PCIe 및 USB 인터페이스를 통해 전송되는 고속, 고대역폭 신호가 필요합니다. 엔지니어들은 Synopsys SLM High Speed Access & Test (HSAT)와 유사한 패키지를 Synopsys TestMAX ALE 소프트웨어와 함께 사용하여 PCIe 및 USB 같은 표준 인터페이스를 활용함으로써, 특히 SoC(System on a Chip) 패키지에서 다수의 인터페이스 및 테스트 핀을 추가로 배치할 필요 없이 칩 패키지로 테스트, 디버그 및 모니터링 데이터를 송수신합니다. 

또한, 생산에 앞서 가상 테스트를 수행하기 위해 Synopsys PrimeSim 소프트웨어와 같은 시뮬레이션 도구가 사용됩니다. 설계 팀은 또한 Ansys Icepak 전자 냉각 시뮬레이션 소프트웨어, Ansys Sherlock 전자 신뢰성 예측 소프트웨어, Ansys Mechanical 구조 유한요소 해석 소프트웨어와 같은 다중물리 시뮬레이션 제품을 활용하여 테스트 환경을 모델링하고, 취급 부주의, 프로브로 인한 기계적 응력, 또는 고전력 신호 인가 시 과도한 발열로 인해 DUT가 손상되지 않도록 보장합니다.

ATE를 위한 강력한 시뮬레이션 툴셋을 구축하는 데 있어 또 다른 중요한 요소는 Teradyne 및 Advantest와 같은 벤더의 제품을 포함하여 널리 사용되는 ATE 플랫폼과의 통합입니다. 이러한 통합을 통해 설계 단계에서 개발된 테스트 콘텐츠가 테스터 아키텍처와 일치하도록 보장함으로써, 제조 테스트 과정에서 일관되고 효과적으로 적용될 수 있습니다.