2021年2月、NASAの探査車「パーセベランス」は、NASAが開発した全く新しい航法システム「地形相対航法（Terrain-Relative Navigation）」を用いて、完全自律的な大気圏突入および降下を自ら制御し、火星のジェゼロ・クレーターへの着陸に成功しました。ミッションコントロールと探査車の間の通信遅延は約11分あったため、人間が遠隔操作して着陸させることは不可能でした。 これまでのミッションでは、既知のデータに基づいて着陸地点を選定せざるを得なかった。つまり、着陸地点は科学的価値ではなく、着陸成功の可能性が高いという理由から選ばれていたのである。
しかし、「パーセベランス」とNASAの「地形相対航法」によって、その状況は一変した。この探査車は、地形の画像を機内に保存された画像と比較し、目印を利用して方位測定と航行を行うことで、地表へと移動した。これらの画像は、探査車と大気圏突入機の両方に搭載された7台のカメラによって撮影されたものであり、これにより「パーセベランス」は火星のまったく新しい地域への着陸を可能にした。そして、これらのカメラの内部には、高感度のイメージセンサーが搭載されていた。
イメージセンサーの歴史は、これまで常に写真と密接に関わってきており、特にスマートフォンのカメラと深く結びついてきました。スローモーションやポートレートモード、マクロ撮影機能など、スマートフォンの進化は比較的短期間で進み、今では誰もがポケットに収まる端末を使って、素晴らしい写真を撮影できるようになりました。
しかし、イメージセンサーを利用する用途は日々拡大しており、その目的が画像の撮影ではなく、環境から情報を抽出することにある場合も少なくありません。その用途には次のようなものがあります：
- イメージセンサーが、 消費者の購買行動や嗜好に基づいてメタデータを作成するシステムの一部となるようなスマートリテール
- 自動車分野において、イメージセンサーは先進運転支援システム（ADAS）の一部として、将来的には完全自動運転にも活用される
- 医療用画像技術により、より小型で高性能な機器の開発が可能となり、研究、診断、および医療処置の向上に寄与している
- イメージセンサーを用いた光学追跡を行う拡張現実
- 顔認識技術にカメラが使用されている場所のセキュリティ
- ロボット工学、自動化、およびその他の用途向けのビジョンシステム
- 短波赤外線センサーを用いて 、画像に基づいて食品の品質を検知・分類する食品検査
イメージセンサー市場は大幅な成長が見込まれる
イメージセンサーの用途が拡大するにつれ、出荷台数も増加しています。上のグラフから、これまでモバイル分野が出荷台数の最大の割合を占めてきたことがわかりますが、この傾向は今後も続くでしょう。しかし、このグラフは、今後10年間で民生用およびセキュリティ用途の出荷台数が飛躍的に増加することも示しています。
モバイル市場の成長を後押ししている要因の一つは、携帯電話メーカーがより優れた高画質な画像を提供しようと競い合う中で、カメラの搭載数や解像度が向上していることだ。消費者は、コンサートの出演者やフィールド上の好きな選手をズームアップして、友人に見せられるような写真を撮影したいと考えている。
さらに、スマートフォンに搭載されるイメージセンサーの数も増加傾向にあります。そのため、スマートフォンの年間総販売台数は横ばいとなっているものの、スマートフォンに搭載されるイメージセンサーの数は2027年までに50％増加すると予想されており、その複雑さも絶えず増し続けています。
出荷台数の増加に伴い、同セグメントの売上高は2026年末までに50％増加すると予測されています。この市場の成長により、大手既存企業や新規参入企業からの投資が増加し、イメージセンサーの種類や数も増えるでしょう。しかし、高品質なセンサーのみがエンドユーザーのデバイスに搭載されるようにするためには、それらをテストする必要があります。
複雑化が進むことで、テストにおける課題が増大している
では、この複雑さと解像度の向上は、イメージセンサーのテストにとってどのような意味を持つのでしょうか。それは、個々のセグメントにおいてだけでなく、それらを総合した際にも、さらなるテスト上の課題が生じることを意味します。上の図が示す通りです。
データ転送帯域幅
左上から見ていくと、デバイスごとのデータ転送帯域幅が増加しています。これは、デバイスから画像データプロセッサへ転送する必要があるデータ量です。テストシステムは、データ転送時間がテストセルのスループットに影響を与えないように設計されなければなりません。重要な要素は、キャプチャ時間、画像処理時間、およびデータ転送時間です。
高速インターフェース
さらに、より高速なインターフェースへのニーズも加わっています。これらのセンサーで定義・使用されるプロトコルは変化しており、メーカー各社は、サポート可能なデータの帯域幅を拡大するために様々な技術を実装しています。これは、画像データの抽出だけでなく、システムの電力予算の観点からも重要です。インターフェースは、可能な限り短い時間だけ「オン」の状態を維持することが求められます。つまり、データを可能な限り迅速に抽出した後、低消費電力モードに戻る必要があります。現在、モバイル向けMIPIのセンサーの多くは依然として2.5G C-PHYおよびD-PHYの範囲に留まっていますが、4.5G D-PHYおよび3.5G C-PHY規格はすでにしばらく前から利用可能となっており、製品への採用がますます進んでいます。
イメージセンサー市場には多種多様なインターフェースが存在し、その数は今後も増え続けると予想されます。MIPI規格も、市場のニーズに応えるべく進化を続けていくでしょう。 モバイル分野ではC-PHYとD-PHYが引き続き主流となるでしょう。自動車分野ではA-PHYとASAが拡大していく見込みです。さらに、前述の新興アプリケーションは今後も成長を続け、市場全体における割合を徐々に高めていくでしょう。こうしたアプリケーションでは、デバイスとの通信に異なるインターフェースが必要となるケースが多く見られます。既存および新規の高速プロトコルがこれほどまでに増加していることは、テストにおいて独自の課題を生み出しています。
サイト数
特にモバイル分野では、ある程度は自動車分野でも同様ですが、サイト数の増加が求められています。サイト数を増やすことで、この目的に特化したテスターを使用すれば、より高いスループットを実現できます。イメージセンサーの要件における重要な要素は、高密度な計測機器、設定可能かつ高性能な画像データプロセッサ（IDP）、多数のデバイスを同時に照射する能力、そしてサイトごとのオーバーヘッド（PSO）を最小限に抑えるテストシステムアーキテクチャです。
ダイサイズ
特に高解像度のセンサーが主流であるモバイル市場において、サイト数の増加を妨げる要因となっているのが、ダイサイズの拡大です。イメージセンサーのテストでは、テスト対象領域がイルミネーターのサイズとダイのサイズに制限されるため、サイト数が制限される可能性があります。さらに、プローブカード上の小型焦点レンズなどにより、個々のダイ間に（スキップダイパターンと同様に）より多くのスペースが必要となるといった要因も、サイト数をさらに制限する可能性があります。この課題をさらに深刻にしているのは、一般的に照射面積が増加するにつれてタッチダウン効率が低下することです。解像度の向上に伴い、ダイサイズは拡大しています。イメージセンサーの画素技術は進歩し、より小さな画素で必要なダイナミックレンジを実現できるようになるでしょう。これにより、より小型で低コストなダイが実現し、テストサイトの増加が可能になります。テストシステムは、現在のデバイスだけでなく、画素サイズの課題が解決された後に登場するデバイスも効率的にテストできるよう設計されなければなりません。
解像度
解像度が向上すると、テスト時間も長くなります。画像データの処理時間は、1枚の画像あたりにキャプチャされるデータ量に直接関係しています。例えば、48メガピクセルのセンサーでは、12メガピクセルのセンサーに比べて1枚あたりのデータ量が4倍になります。解像度を高めるには、テストシステムにおいて、より新しく高速な画像データプロセッサを定期的に導入し、より高速なインターフェースに対応させ、キャプチャ装置からIDP（画像データプロセッサ）へ画像データを効率的に転送できるようにする必要があります。
次世代イメージセンサーのテスト
解像度の向上に伴い、イメージデータ処理がテスト総時間に占める割合が増加している一方で、その他のテストは（ほぼ）変わらないままです。 このテスト時間の増加は、テストセルのスループットに悪影響を及ぼす可能性があるが、テラダインはIP750プラットフォームに多額の投資を行っており、今後も投資を継続する予定である。同プラットフォームは現在2000台以上が稼働しており、世界のテスト能力の約80％を占めている。2022年、テラダインはIPQ8を導入した。これは、 UltraFLEXplusのイメージセンサー特化版であるIPQ8を導入しました。これは最大20Gのシリアルインターフェースセンサーテストに対応しています。また、2023年には、次世代IDPであるIPG7と、4.5Gbps D-PHYおよび3.5Gsps C-PHYの同時コンボテストに対応する新しい計測器を導入する予定です。
現在、C-PHYとD-PHYのテストは、2回のテスト実行が必要になるか、あるいはロードボードにスイッチを追加してC-PHYとD-PHYのインターフェースを切り替える必要があるため、複雑になっています。多くの場合、テラダインのICMCD測定器を使用すれば、デバイスのピン配置が特定のルールセットに準拠していれば、切り替え作業なしにC-PHYとD-PHYの両方をテストすることができ、これは大きな利点となります。
さらに、IP750向けにリアシフトドッキングシステムが新たに利用可能となりました。これにより、150×160mmの大型イルミネータースペースに対応可能となり、これは一般的な300mmウェーハの半分のサイズに相当します。リアシフトドッキングにより、イルミネーターがテストヘッドの外側に配置されるため、より大型のイルミネーターとより多くの測定ポイントに対応できるようになります。
今後、テラダインのロードマップでは、開発期間の短縮と業界トップクラスのスループットの実現を目標に、画像処理時間の短縮と新しいインターフェースの実装の両方に注力していきます。
イメージセンサーの普及が進み、ますます多くの用途で採用されるにつれ、高解像度化、データ処理のための高速インターフェース、ダイナミックレンジの向上などにより、その複雑さが増していることから、テストへの影響も甚大になり得ます。 テストベクトルの増加に加え、テスト時間とコストの削減が常に求められていることから、品質、スループット、生産量を維持するためには、新たなソリューションの開発が不可欠です。現在市販されているほぼすべてのイメージセンサーに対応するソリューションを提供し、将来のイメージセンサーのテストを確実にするためのイノベーションに注力しているテラダインは、世界中のイメージセンサーパートナーにとって、信頼され、高く評価されているパートナーです。
イメージセンサー向けテラダインの自動試験装置について詳しく知りたい方は、お問い合わせください。
トム・チェンバースは、テラダインのイメージセンサー部門の製品マネージャーを務めており、新しいイメージセンサー製品の開発を担当しています。この役職に就く前は、テラダインにおいてマーケティングおよびアプリケーションエンジニアリングの分野で様々な職務を歴任しました。イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校で電気工学の理学士号を取得しています。