2021年2月、NASAの探査機「Perseverance（パーシビアランス）」は、NASAが開発した全く新しい航法システム「地形相対航法（TRN）」を使って、完全自律的な突入・降下のアクティブナビゲーションを行い、火星のジェゼロ・クレーターへの着陸を成功させました。 ミッションコントロールとローバーの間の遅延は約11分で、人為的な遠隔操作による着陸は不可能でした。 これまでのミッションは、既知のデータに頼って着陸地点を選んでいたため、科学的な価値ではなく、着陸が成功する確率が高い場所が選ばれていたのです。
しかし、PerseveranceとNASAの地形相対航法（TRN）により、すべてが変わりました。 ローバーは、地形の画像と搭載されている画像を比較し、ランドマークを利用して方位とナビゲーションを行いながら地表に移動しました。 これらの画像は、ローバーとエントリービークルの両方に搭載された7台のカメラで撮影され、Perseveranceは火星の全く新しいエリアに着陸することができました。 そして、このカメラの中には、高感度のイメージセンサが入っていました。
イメージセンサの話は、歴史的に写真と非常に密接な関係があり、多くの場合、私たちの携帯電話に搭載されているカメラに関係しています。 スローモーション、ポートレートモード、マクロなど、携帯電話の進化は比較的短期間で実現し、すべてのユーザーがポケットに入るデバイスで素晴らしい画像を作成できるツールを手に入れることができました。
しかし、イメージセンサを使用するアプリケーションは常に拡大しており、多くの場合、その目的は画像を撮影することではなく、環境から情報を抽出することです。次を含むアプリケーション：
- 消費者の買い物や好みに基づいてメタデータを作成するシステムの一部としてイメージセンサが使用される可能性がある、スマートリテール
- 先進運転支援システム（ADAS）、ひいては完全自律走行にイメージセンサが搭載される、オートモーティブ
- 研究、診断、医療行為を改善するために、より小型で高性能なデバイスを作成する能力を提供する、医療用イメージング
- イメージセンサを光学トラッキングに使用する、拡張現実
- 顔認証技術にカメラが使用される、セキュリティ
- ロボット工学、自動化などのビジョンシステム
- 短波長赤外線センサが画像から食品の品質を検出し分類する、食品検査
イメージセンサ市場は大幅な成長へ
イメージセンサの用途が増えるにつれて、その出荷台数も増えています。 上のグラフでは、モバイルが出荷台数に占める割合が歴史的に最も大きいことがわかりますが、これは今後も続くでしょう。 しかし、このグラフは、消費者向けおよびセキュリティー向けアプリケーションの出荷が、今後10年間で飛躍的に増加することも示しています。
モバイルの成長の原動力の一つは、携帯電話会社がより良い高画質の画像を提供するために競争しているため、カメラの数とカメラの解像度が増加していることです。 消費者は、コンサートの出演者や、フィールドのお気に入りの選手をズームアップして、友人に見せられるような画像を撮りたがっています。
それに加えて、携帯電話に搭載されるイメージセンサの数も増えています。 そのため、携帯電話の年間総販売台数が頭打ちになったとしても、携帯電話に搭載されるイメージセンサの数は、現在から2027年の間に50％増加し、複雑さも継続的に増加すると予想されています。
この出荷台数の増加に伴い、2026年末までにこの分野の売上は50％増加すると予測されます。 このような市場の成長により、大手既存プレーヤーや新規参入プレーヤーからの投資が増加し、イメージセンサの種類や数が増加すると考えられます。 しかし、高品質のセンサだけがエンドユーザーのデバイスに届くようにするためには、テストが必要です。
進む複雑化がテスト課題をドライブする
では、このような複雑化および高解像度化は、イメージセンサのテストに対して、どのような意味を持つのでしょうか。 それは、個々のセグメントだけでなく、上の図に示すように、複合的なテストの課題も増えるということを意味します。
データ転送帯域幅
左上から始まり、デバイスから画像データのプロセッサへ戻すためのデータ量である、デバイスあたりのデータ転送帯域が増加しています。 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テストシステムを設計する必要があります。 主な構成要素は、キャプチャ時間、画像処理時間、データ転送時間です。
高速インターフェイス
さらに、インターフェースの高速化も必要です。 これらのセンサで定義され使用されるプロトコルは変化しており、メーカーはサポートできるデータの帯域幅を広げるためにさまざまな技術を実装しています。これは、画像データを抽出するためにも、またシステムのパワーバジェットとしても重要です。 インターフェースはできるだけ短い時間で「オン」にしたい、つまり、できるだけ早くデータを抽出し、低電力モードに戻す必要があります。 現在、ほとんどのセンサは、まだモバイル向けMIPI の2.5G C-PHYおよびD-PHYの範囲に対応していますが、4.5G D-PHY、3.5G C-PHYの規格は以前からあり、製品への採用も増えてきています。
イメージセンサ市場には様々なインターフェースが存在し、その数は時間とともに増え続けると予想されます。MIPI規格は、今後も市場のニーズに合わせて進化を続けていく予定です。 モバイルでは、C-PHYとD-PHYが存続します。 オートモーティブでは、A-PHYとASAが拡大します。 さらに、上記のような新しいアプリケーションは、時間の経過とともに成長し続け、市場全体の中でより大きな割合を占めるようになると考えられますが、それらの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ことがよくあります。 このように、既存および新規の高速プロトコルの普及により、独自のテスト課題が発生しています。
サイト数
特にモバイルでは、オートモーティブでもある程度そうですが、サイト数を増やそうという動きがあります。 サイト数が多いほど、この目的のために設計されたテスタで高いスループットを得ることができます。 イメージセンサに求められる重要な要素は、高密度なインスツルメント、設定可能で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、サイトごとのオーバーヘッド（PSO）を最小化するテストシステムアーキテクチャです
ダイのサイズ
特にセンサが高解像度であるモバイル市場では、ダイのサイズの増大がサイト数に不利に働きます。 イメージセンサのテストでは、テストするエリアがイルミネーターのサイズとダイのサイズに限定されるため、サイト数が制限されることがあります。 また、プローブカードの焦点レンズが小さく、個々のダイ間にスペースが必要な場合（スキップダイパターンなど）、サイト数がさらに制限されることがあります。 さらに、タッチダウン効率が、一般に照射面積が大きくなるにつれて低下するという課題もあります。 解像度の向上により、ダイのサイズは大きくなっています。 イメージセンサの画素技術が向上し、必要なダイナミックレンジをより小さな画素で実現できるようになります。 これにより、ダイの小型化、低コスト化を実現し、高いサイト数への対応を可能にします。 テストシステムは、現在のデバイスだけでなく、画素サイズの進化に伴ってこれから登場するであろうデバイスも、効率的にテストできるように設計する必要があります。
解像度
解像度が上がると、テスト時間も長くなります。 画像データの処理時間は、1画像あたりのデータ量に直結しています。 例えば、4800万画素のセンサは、1200万画素のセンサに比べ、1枚の画像に4倍のデータを生成することになります。 解像度を上げるには、テストシステムに定期的に新しく高速な画像データプロセッサを導入し、より高速なインターフェースをサポートし、画像データをキャプチャ・インスツルメントからIDPに効率的に移動させる必要があります。
未来のイメージセンサをテストする
テストの他の部分の時間は大きくは変わらない中、解像度の向上により、テスト時間全体に占める画像データ処理の割合が増加しています。 このような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しつつありますが、現在2,000を超えるシステムで使用されており世界中のテストキャパシティの約80%を担っている IP750プラットフォームに対して、テラダインは多大な投資を行っており、今後も投資を続けていく予定です。弊社は、2022年にはUltraFLEXplusのイメージセンサにフォーカスしたバージョンで最大20Gのシリアルインターフェース・センサテストをサポートするIPQ8を導入し、2023年には、テラダインの次世代IDP、IPG7と4.5Gbps D-PHYと3.5GspsのC-PHYの同時コンボテストに対応する新しいインスツルメントを導入する予定です。
C-PHYとD-PHYのテストは、2つのパスを導入するか、ロードボードにC-PHYとD-PHYのインターフェースを切り替えるスイッチを追加する必要があるため、複雑になっています。 テラダインのICMCDでは、デバイスのピンアウトが一定のルールに適合していれば、C-PHYとD-PHYを切り替えずにテストできる場合が多く、大きなメリットとなります。
さらに、IP750にはリアシフト・ドッキングシステムが用意されており、一般的な300mmウェハーの半分のサイズである150×160mmの大きなイルミネータースペースに対応しています。 リアシフト・ドッキングにより、イルミネーターをテストヘッドの外に出し、より大きなイルミネーターとより多くのサイト数をサポートします。
今後のテラダインのロードマップでは、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重点を置き、開発期間の短縮と業界トップクラスのスループットを目指します。
イメージセンサが普及し、より多くのアプリケーションで使用されるようになり、高解像度化、データ処理のための高速インターフェース、より優れたダイナミックレンジなどによりますます複雑化するにつれ、テストへの影響も大きくなります。 テストベクターが増え、テスト時間とコストの削減が常に求められる中、品質、スループット、ボリュームを維持するために新しいソリューションを開発する必要があります。 現在入手可能なほぼすべてのイメージセンサに対応するソリューションと、未来のイメージセンサを確実にテストできるようイノベーションに注力するテラダインは、世界中のイメージセンサ・パートナーから信頼される重要なパートナーとなっています。 テラダインのイメージセンサ用自動テスト装置について、詳しくはお問い合わせください。
テラダインのイメージセンサ用自動テスト装置について、詳しくはお問い合わせください。
Tom Chambersは、テラダインのイメージセンサ部門のプロダクトマネージャーです。 以前は、テラダインでマーケティングとアプリケーション・エンジニアリングのさまざまな役割を担ってきました。 彼は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。