반도체 트랜지스터의 크기가 점점 작아지고 칩의 복잡성이 기하급수적으로 증가함에 따라, 고품질 제품만이 시장에 출시되도록 보장하기 위해서는 반도체 테스트가 필수적입니다. 더욱 엄격해진 허용 품질 수준(AQL) 인증 기준이 도입됨에 따라, 이러한 기준을 충족하기 위해 테스트 방법도 지속적으로 발전해야 하며, 시스템 레벨 테스트 (SLT)와 자동화 테스트 장비(ATE)를 활용한 기존 테스트 방식은 장치가 품질 요구 사항을 초과 달성할 수 있도록 보장하는 포괄적인 테스트 전략을 제공합니다.
다양한 테스트 문제를 파악하고 해결할 수 있는시스템 레벨 테스트 (SLT)는 새로운 기술이 아닙니다. 이는 1990년대 후반부터 컴퓨터 분야에서 사용되어 왔습니다. 그러나 칩에 집적되는 트랜지스터 수가 기하급수적으로 증가함에 따라 칩의 복잡성도 높아지고 있으며, 이에 따라 더 많은 집적회로(IC) 제조사들이 칩의 수율과 품질을 향상시키기 위해 SLT를 도입하고 있습니다.
시스템 레벨 테스트란 무엇이며, 왜 다른 테스트와 다른가?
시스템 레벨 테스트(SLT)는 기능 테스트라고도 불리며, 피시험 장치(DUT)를 실제 사용 환경에서 테스트하는 방법입니다. 운영 체제를 실행하고 피시험 장치를 사용하여 일반적이거나 특정 애플리케이션 테스트를 수행함으로써, 기존의 자동 테스트 장비(ATE) 테스트를 넘어서는 추가적인 검증이 가능합니다. SLT 테스트는 일반적으로 정상적인 장치 작동 과정에 추가적인 검증 단계를 더한 형태입니다.
시스템 레벨 테스트를 주도하는 산업 동향
지난 20년 동안 칩 산업의 여러 트렌드에 힘입어 SLT 시장은 상당히 성장했습니다.
첫째, 기기 품질에 대한 요구 수준이 높아지고 있습니다. 지난 10년 동안 사람들은 휴대전화 및 기타 전자 기기에 대한 의존도가 높아졌으며, 이에 따라 칩 품질에 대한 요구 수준도 점점 더 높아지고 있습니다. 이로 인해 제조사들은 소비자가 제품을 구매한 후 문제를 겪을 가능성을 줄이기 위해 칩과 시스템에 대한 포괄적인 테스트를 실시하고 있습니다. 이러한 이유로 모바일 기기용 SLT 시장은 급속한 성장을 이루었습니다.
또 다른 트렌드는 자동차 분야에서 나타나고 있습니다. 자율주행 보조 차량에서는 전자 장치와 소프트웨어를 활용해 주변 상황을 감지하고, 자동 조향이나 제동으로 이에 대응합니다. 첨단 운전자 보조 시스템(ADAS)에는 더 높은 기준이 요구되므로, 초고전력 및 혼합 신호 소자의 성능은 물론 플랫폼 효율성과 열적 안정성이 매우 중요합니다.
칩 공급업체들은 성능, 배터리 사용 시간 및 수율을 향상시키기 위해 기술의 한계를 계속해서 끌어올리고 있으며, 이는 그들이 다음을 수행해야 함을 의미합니다:
- 공정 결함률이 높을 수 있더라도, 새로운 공정 노드의 제품을 가능한 한 빨리 출시해야 한다
- 배터리 사용 시간을 늘리기 위해 가능한 한 낮은 전압에서 작동하십시오
- 수율을 극대화하기 위해 위상 잠금 루프(PLL) 설정을 미세 조정하십시오
- 최첨단 패키징 기술을 도입하여 트랜지스터 집적도와 성능을 향상시킨다
또한 자동차 인포테인먼트 분야에서도 자동차 제조사들은 그 어느 때보다 기술의 최전선에 가까이 다가서고 있습니다. 최첨단 기술을 도입해 안정성을 높임으로써, 이들은 자동차 인포테인먼트 제품의 시장 출시 기간을 단축할 수 있게 되었습니다.
SLT의 또 다른 성장 분야는 빅데이터 처리와 엣지 및 클라우드 인공지능(AI) 애플리케이션으로, 이 분야에서는 수백 와트에서 수천 와트에 이르는 높은 전력이 요구됩니다.
이처럼 다양한 시장을 주도하는 요구 사항들이 복잡다단한 만큼, 완제품에 고품질 부품이 탑재되도록 보장하는 일은 매우 중요해졌을 뿐만 아니라 그 과정도 상당히 복잡해졌습니다. 기술이 끊임없이 한계에 도전함에 따라, 결함 누락을 방지하고 부품이 요구되는 품질 수준에 도달하도록 보장하는 데 있어 SLT의 활용은 그 어느 때보다 중요해졌습니다. 제품 품질을 향상시키는 것 외에도, 장비를 최종 적용 현장에 최대한 가깝게 가동함으로써 시장 출시 기간을 단축하는 데도 도움이 됩니다.
기존의 테스트 커버리지 확보가 점점 더 어려워지고 있다
IC 제조사들은 끊임없이 더 많은 기능을 단일 칩에 집적하고 있습니다. 모바일 프로세서를 예로 들어보겠습니다. 초기에는 기능이 주로 전화 통화에 국한되어 있었습니다. 오늘날 모바일 기기는 그래픽, 이미지 처리, 고급 보안 기능 등을 지원합니다. 과거에는 디지털 처리를 통해 통신이 이루어졌지만, 오늘날의 기기에는 음성 및 생체 인식 데이터 처리 기능은 물론 AI 알고리즘까지 포함되어 있습니다. 이러한 이유로 애플리케이션 프로세서(AP)는 메모리 통합되어야 합니다.
프로세서는 시간이 지남에 따라 진화하고 있으며, 제공하는 기능도 급속히 확대되고 있습니다. 건강 지표 추적, 기록 및 스토리지, 연결 및 제어, 안전을 보장하기 위한 차량 주변 센서와의 통신, 그리고 머신러닝과 AI를 통한 생활의 편의성 제고와 같은 기능들은 생산성과 안전성을 지속적으로 향상시키고 있습니다. 이러한 기능 블록 간의 상호작용과 관련된 결함은, 특히 해당 블록 내부의 테스트 인터페이스가 서로 다른 언어를 사용하는 경우 포착하기가 특히 어려울 수 있습니다.
모두 이 이러한 모든 새로운 기능들이 하나의 AP에 통합되어 있어, 이는 트랜지스터 수가 이는 경우에 따라 초과하기도 합니다무어의 법칙을 무어의 법칙을
물론, 테스트 과제는 단순히 장치 기능의 범위를 넘어섭니다. IC에 다수의 트랜지스터를 집적할 때, 때로는 타협점을 찾아야만 하며, 이로 인해 기존 방식으로 달성했던 테스트 커버리지가 저하될 수 있습니다. 트랜지스터 수가 증가함에 따라 결함 발생 확률도 높아지므로, 결함률 증가를 방지하기 위해 추가적인 테스트가 필요합니다. ATE 테스트만으로는 더 이상 모든 결함을 포착하기에 충분하지 않으므로, SLT를 활용하여 보다 포괄적인 테스트 커버리지를 확보할 수 있습니다.
SLT는 어떻게 실행하나요?
SLT는 제품의 최종 사용 환경과 매우 유사한 조건에서 수행되는 기능 테스트입니다. “시스템” 부분은 맞춤형 시스템 레벨 테스트 보드에서 구현되며, 테스트 흐름은 다음과 같습니다:
- 특정 작업 수행: 시스템에 내장된 장치의 일반 기능 및 대상 애플리케이션을 실행하고, 예상대로 작동하는지 확인하는 작업입니다. 이러한 작업에는 칩 시작, 운영 체제 로딩, 또는 성능 평가 프로그램과 같이 모듈에서 작성한 특정 프로그램 실행 등이 포함될 수 있습니다. 사용되는 시스템 레벨 테스트 보드는 고객에게 제공되는 레퍼런스 디자인 또는 평가 보드와 유사합니다.
- 작업이 성공적으로 수행되었는지 확인하기: 테스트 결과나 작업의 성공/실패 여부에 따라 측정됩니다. 예를 들어, 내부 프로세스가 성공적으로 실행되었는지 확인할 때는 운영 체제가 정상적으로 시작되는지 검증하거나, 판단의 근거로 특정 값(예: 성능 테스트 결과와 기준값의 비교)을 측정합니다.
대부분의 경우, SLT 시스템에는 테스트 흐름을 실행하기 위한 내장 프로세서가 탑재되어 있습니다. SLT는 주로 시스템 온 칩(SoC) 및 시스템 인 패키지(SiP) 칩에 중점을 두기 때문에, 테스트 프로세서는 일반적으로 피시험 장치(DUT)의 일부입니다. 그렇지 않은 경우에는 피시험 장치의 주변 테스트 시스템에 적합한 프로세서를 장착해야 합니다.
테스트 대상 장치 주변의 SLT 보드 회로는 요구 사항에 따라 변경될 수 있습니다. 화면에 결함 발생 보고서를 빠르고 간편하게 표시할 수 있습니다. 기능적 결함을 트랜지스터 수준까지 추적하려면 상당한 양의 결함 분석이 필요하기 때문에, 이러한 유형의 테스트는 ATE(자동 테스트 장비)에서는 수행하기 어렵습니다. SLT는 결함을 유발하는 정확한 사용 사례를 활용할 수 있고, 이 기능 테스트를 SLT 테스트에 신속하게 추가할 수 있어 결함 발생의 근본 원인을 거의 즉시 파악할 수 있으므로 이러한 유형의 테스트에 더 적합합니다.
그러나 SLT는 ATE에서 볼 수 있는 구조적 테스트가 아니라 실제 단말기 사용 시나리오를 시뮬레이션하는 기능 테스트이므로, SLT의 테스트 시간은 일반적으로 기존의 ATE보다 더 오래 걸립니다. 따라서 SLT의 비용 효율성을 유지하기 위해서는 병렬 테스트의 효율성이 중요해집니다. ATE의 테스트 시간은 대개 10초 단위로 이루어지는 반면, SLT의 테스트 시간은 1분에서 10분 단위로 이루어집니다. 최고의 효율을 달성하려면 병렬 테스트의 효율이 ATE보다 한 차원 더 높아야 합니다.
비용이 중요합니다
결국 비용이 가장 중요합니다. 포괄적인 테스트 전략을 수립하면 결함을 가능한 한 조기에 발견할 수 있어, 후속 공정에서 발생하는 비용을 절감할 수 있습니다. ATE 웨이퍼 테스트는 트랜지스터 수준의 문제, 주파수/전압 변화에 대한 민감도, 기본 설계 사양 준수 여부 등을 포함하여 공정 초기 단계에서 결함을 효과적으로 탐지합니다.
일부 결함은 패키징 공정에서 발생하며, ATE 최종 테스트를 통해 이러한 문제를 파악합니다. 그러나 일부 결함은 너무 미묘하고 복잡하여, 백만 개당 불량률(DPPM) 기준이 엄격할 경우 해당 장치가 테스트 승인 절차를 통과하지 못하는 경우가 여전히 있습니다.
일반적인 품질 요구 사항의 경우, 테스트 시간이 길어질수록 ATE 비용은 대개 증가합니다. 이러한 비용 증가는 대체로 통제 가능하며, 어느 정도까지는 선형적인 양상을 보입니다. 그러나 매우 복잡한 트랜지스터 출력 신호가 요구될 경우, ATE 비용은 결국 곡선의 변곡점에 도달하여 기하급수적으로 증가하게 됩니다.
이는 주로 이러한 결함을 식별하는 데 많은 시간이 소요되고, 주변 장치와 함께 테스트해야 하기 때문입니다. 현재 일부 매개변수 및 기능 테스트를 포함한 이러한 테스트 중 일부는 ATE에서 수행되고 있습니다. 그러나 경우에 따라 추가 회로의 수와 테스트 시간이 길어 ATE로는 이러한 유형의 테스트를 수행하기 어려운 경우도 있습니다. 흥미롭게도 SLT의 비용 및 테스트 시간은 복잡성이 증가해도 늘어나지 않는데, 이는 단순히 애플리케이션을 시작하거나 실행하는 과정에 불과하기 때문입니다. 지난 50년 동안 ATE는 트랜지스터 레벨 설계 파라미터 결함을 포착하는 데 매우 탁월했으며, 앞으로도 이를 수행하는 데 있어 가장 비용 효율적인 방법이 될 것입니다. SLT는 실제 칩 애플리케이션 시나리오를 사용하여 ATE에서 구현할 수 없는 테스트에 활용되어야 합니다.
왜 많은 클래스의 결함이 ATE에서는 포착되지만 SLT에서는 포착되지 않는 것일까요? 그 이유는 ATE와 달리 SLT가 모든 트랜지스터와 그 파라미터를 체계적으로 테스트하지 않고, 장치 내에서 실제 응용 프로그램의 일부만 테스트하여 기능적 결과를 제공하기 때문입니다. 상상할 수 있는 모든 응용 프로그램을 실행하여 모든 트랜지스터를 작동시키고 결함을 유발하는 것은 사실상 불가능합니다.
SLT의 비용 효율성은 ATE로는 테스트할 수 없는 문제로 인해 발생하는 결함의 상당 부분을 탐지하거나, 칩과 그 주변의 여러 IP 모듈을 동시에 자극함으로써 달성됩니다. 동시 테스트 가능성(한 번에 테스트되는 디바이스 수)이 훨씬 높기 때문에, 디바이스당 테스트 비용은 ATE에 비해 4분의 1 이하로 낮아질 수 있습니다.
복잡성이 기하급수적으로 증가하고 미션 크리티컬 애플리케이션의 수가 계속 늘어남에 따라, ATE와 SLT 테스트를 결합하는 것은 최저 비용으로 높은 품질 수준을 유지할 수 있는 이상적인 솔루션입니다.
어느 정도까지 ATE 비용은 설계 복잡도나 트랜지스터 수와 선형적인 관계를 가지므로, 웨이퍼 및 IC 단계에서 결함을 탐지하는 데 활용되어야 합니다. SLT는 테스트 흐름의 마지막 단계에서 발견하기 어려운 소수의 결함을 선별해 내는 데 매우 비용 효율적입니다. 따라서 품질 요구 사항이 매우 높은 미션 크리티컬 애플리케이션의 경우, 기존 ATE 테스트 흐름의 마지막 단계에 SLT를 추가하는 것이 종종 가장 비용 효율적인 전략이 됩니다.
왜 테라다인인가요?
ATE와 SLT 테스트를 모두 활용해야만 포괄적인 테스트 전략을 수립할 수 있습니다. 기업은 요구되는 품질 수준과 비용 등 여러 요소를 고려함으로써 ATE와 SLT 간의 최적의 균형을 찾을 수 있습니다.
테라다인(Teradyne) 타이탄™ SLT 테스터의 장점 중 하나는 진정한 병렬 테스트 기능입니다. 각 칩은 인접한 칩들과 완전히 독립적으로 작동하므로, SLT 및 일괄 처리를 수행하는 데 더욱 효과적인 방식입니다.
또한, 테라다인은 10년 이상 운영되어 온 대규모 자동화 생산 플랫폼을 보유하고 있습니다. 당사의 스토리지 아키텍처와 반도체 테스트 전문성을 결합한 테라다인 타이탄 (Teradyne Titan)은 포괄적인 SLT 자동화 및 테스트 솔루션을 제공합니다.
SLT는 요구되는 품질 수준을 충족시키기 위해 ATE 테스트에 추가되는 보완적인 테스트 단계이자 확장 기능입니다. 테라다인은 테스트 라이프사이클 전반을 지원하는 솔루션을 제공하여, 고객이 테스트 시간과 비용을 절감하면서도 최대의 테스트 커버리지를 달성하고 최고 품질의 제품을 시장에 출시할 수 있도록 돕습니다.
결론
SLT는 약 30년 동안 사용되어 왔으며, 주로 최첨단 대규모 디지털 컴퓨팅 애플리케이션에 활용됩니다. 일부 결함은 실제 적용 환경에서만 발견될 수 있는데, SLT는 이러한 결함을 탐지하는 데 특히 적합합니다. 이는 전용 주변 장치를 사용하여 시스템 레벨 테스트 보드 상에서 칩을 애플리케이션 레벨로 테스트함으로써, 마지막 0.00xx%의 결함까지 포착하고 오류 누출률을 최대한 낮추는 방식입니다.
SLT의 성장은 품질에 대한 수요 증가, 전자 애플리케이션 시나리오의 급속한 확대, 칩의 복잡성 증대, 그리고 시장 출시 기간 단축에 기인합니다. 테라다인(Teradyne)은 ATE와 SLT 테스트를 결합하여 대량 생산을 위한 포괄적인 테스트 솔루션을 제공하며, 이는 최대한 많은 결함을 포착하는 것을 목표로 하며, 휴대폰 애플리케이션 프로세서뿐만 아니라 자동차 및 고성능 컴퓨팅 최종 시장의 프로세서까지 대응할 수 있습니다.
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Teradyne SLT 및 ATE 솔루션에 대해 더 자세히 알고 싶으시면 당사로 문의해 주십시오.
나탈리안 Z. 데르(Natalian Z. Der)는 테라다인(Teradyne)의 비즈니스 전략 및 시스템 레벨 테스트 마케팅 이사입니다. 나탈리안은 2018년 테라다인에 입사하여 UltraFLEXplus 총괄하고 테라다인의 중국 전략을 주도해 왔습니다. 테라다인 입사 전에는 삼성 계열사인 하만(Harman)에서 자동차 애프터마켓 전자 제품 라인의 글로벌 제품 라인 관리 수석 이사로 재직했습니다. 나탈리안은 실리콘 랩스(Silicon Labs)에서 경력을 시작하여, 휴대전화 및 자동차 시장을 위한 방송용 RF IC를 관리했습니다. 나탈리안은 텍사스주 휴스턴에 위치한 라이스 대학교(Rice University)에서 전기공학 석사 학위와 경영학 석사 학위를 취득했습니다.