글: 리처드 훌리한(Richard Houlihan) 제품 마케팅 매니저, 나빈 둘(Naveen Dhull) 제품 애플리케이션 엔지니어, 파드레이그 피츠제럴드(Padraig Fitzgerald) 수석 IC 설계 엔지니어 / 아나로그디바이스(Analog Devices, Inc.)

 

개요

첨단 디지털 프로세서 IC는 품질 관리를 위해서 DC 파라미터 테스트와 고속 디지털 자동화 테스트 장비(ATE) 테스트를 별도로 실시해야 하므로 비용이나 제조 흐름 상에 있어서 상당한 부담과 과제를 안겨준다. 이 글에서는 ADI의 ADGM1001 SPDT MEMS 스위치를 사용해서 어떻게 한 번의 연결만으로도 DC 파라미터 테스트와 고속 디지털 테스트를 둘 다 실시할 수 있는지, 그럼으로써 디지털/RF SoC 테스트에서 비용을 절감하고 제조 흐름을 간소화할 수 있는지 설명한다.
 

그림 1: 디지털 SoC 테스트를 위해서 작업자가 로드 보드를 테스터에 탑재하는 모습.

 

ATE의 과제

반도체 기술이 진화함에 따라 5G 모뎀 IC, 그래픽 IC, 프로세싱 IC 같은 첨단 프로세서의 칩간 통신에 더 높은 속도와 밀도가 가능해졌다. 이처럼 갈수록 복잡성이 높아지고 높은 쓰루풋이 요구되는 가운데 우수한 품질을 보장해야 하는 것이 오늘날 ATE 설계 엔지니어들에게 중대한 과제가 되고 있다. 특히나 일을 더욱 어렵게 하는 것은 송신기(Tx)/수신기(Rx) 채널 수가 늘어나고 있다는 점이다. 이러한 채널들에 대해 고속 디지털 테스트와 DC 파라미터 테스트를 실시해야 한다. 이 때문에 반도체 테스트의 복잡성이 높아지고 있다. 이 과제를 제대로 해결하지 못한다면 테스트 시간을 늘리고 로드 보드(load board) 복잡성을 높이고 테스트 쓰루풋을 떨어트릴 것이다. 이것은 운영 비용(OPEX)을 늘리고 최신 ATE 환경에서 생산성을 저하시킬 것이다.
 
ATE의 이러한 과제를 해결하기 위해서는 DC부터 고주파수에서까지 동작할 수 있는 우수한 스위치가 필요하다. ADI의 ADGM1001은 진정한 0Hz DC 신호부터 64Gbps 고속 신호까지 통과시킬 수 있다. 그러므로 효율적인 단일 테스트 플랫폼(단일 삽입)으로도 DC 파라미터와 PCIe Gen 4/5/6, PAM4, USB 4 같은 고속 디지털 통신 표준 둘 다를 테스트하도록 구성할 수 있다.
 

그림 2: 32Gbps의 ADGM1001 아이 다이어그램(레퍼런스 트레이스를 사용해서 RF1에서 RFC까지, 사용된 패턴은 PRBS 2¹⁵-1)

 

HSIO 핀들을 어떻게 테스트할까?

대량 제조 환경에서 고속 입출력(HSIO) 인터페이스를 테스트하기는 꽤나 어렵다. HSIO 인터페이스를 평가 및 확인 위한 통상적인 방법이 고속 루프백 테스트 아키텍처를 사용하는 것이다. 이는 하나의 구성에 고속 테스트 경로와 DC 테스트 경로를 모두 포함한다.
 
고속 루프백 테스트를 위해서는 PRBS(pseudo-random bit sequence)가 송신기로부터 고속으로 전송되고 그림 3의 왼쪽에 보이는 것처럼 로드 보드나 테스트 보드 상에서 루프백한 다음 수신기 측에서 수신이 이루어진다. 수신기 측에서는 이 시퀀스를 분석하고 비트 오류율(BER)을 계산한다.
 
연속성 테스트나 누설 테스트 같은 DC 파라미터 테스트는 디바이스 기능성 확인을 위해 I/O 핀 상에서 수행된다. 이러한 테스트 수행을 위해, 핀들을 DC 장비에 직접 연결하여 전류를 주입하고 전압을 측정해서 장애 여부를 시험한다.
 
DUT의 I/O로 고속 루프백 테스트와 DC 파라미터 테스트를 모두 실시하기 위해, 디지털 SoC 테스트에 사용되는 몇 가지 방법이 있다. 예를 들면 MEMS 스위치나 릴레이를 사용하는 방법과, 서로 다른 두 가지 종류의 로드 보드를 사용하는 방법이 그것인데, 하나는 고속 테스트용이고 다른 하나는 DC 테스트용으로, 이들은 두 번의 삽입을 필요로 한다.
 
릴레이를 사용하여 고속 테스트 및 DC 파라미터 테스트를 수행하는 것은, 대부분의 릴레이가 8GHz 이상으로 동작하지 못한다는 점 때문에 까다로울 수 있으므로, 사용자는 신호 속도와 테스트 커버리지를 절충해야 한다. 뿐만 아니라 릴레이는 크기가 크고 PCB 면적도 넓게 차지하므로, 이 점은 솔루션 크기에 영향을 미친다. 또한 릴레이는 신뢰성이 우려될 수 있다. 통상 1천만 스위칭 사이클밖에 지속하지 못하므로 시스템 가동률과 로드 보드 수명을 제한할 수 있다.
 
그림 3은 고속 루프백 테스트와 DC 파라미터 테스트를 실시하기 위한 2회 삽입 테스트 기법을 보여준다. 그림 3에서 왼쪽은 고속 디지털 루프백 테스트 셋업으로서, DUT의 송신기를 커플링 커패시터를 거쳐서 수신기로 연결한다. 오른쪽은 DC 파라미터 테스트 셋업으로서, DUT 핀을 곧바로 ATE 테스터로 연결하고 파라메트릭 테스트를 실시한다. 지금까지는 부품 차원의 한계 때문에 동일 로드 보드로 고속 루프백 테스트와 DC 테스트를 둘 다 실시하는 것이 불가능했다.
 

그림 3: 2회 삽입 테스트 방법론

 

2회 삽입 테스트 방법론의 과제들

• 두 가지 하드웨어 세트 관리: 사용자는 DC 테스트용과 루프백 테스트용의 두 가지 로드 보드를 유지 및 관리해야 하며, 그만큼 비용도 늘어난다. 대량의 부품을 테스트할 때는 특히 더 그럴 것이다.
• 테스트 시간과 비용 증가: 2회 삽입 테스트는 모든 DUT를 두 번씩 테스트해야 한다. 그러므로 테스트 시간이 두 배이고, 궁극적으로 테스트 비용을 증가시키고 테스트 쓰루풋에도 영향을 미친다.
• 테스트 시간 최적화: 두 가지 하드웨어 세트를 사용하면 테스트 시간을 최적화하기가 그만큼 어려워진다. 어떤 부품이 두 번째 테스트에서 실패하면 첫 번째 삽입 시의 테스터 시간을 낭비하는 것이고 이것은 비용 증가로 이어질 것이다.
• 작업자의 실수에 취약: 모든 DUT를 두 번씩 테스트하므로 작업자의 실수 가능성 또한 두 배가 된다.
• 솔루션 셋업 시간 두 배: 두 가지 하드웨어 세트를 사용하므로 하드웨어 셋업 시간도 두 배가 걸린다.
• 물류 부담: 두 번의 테스트를 위해서 부품의 이동이 더 많다. 테스트 장비들 사이에서만이 아니라 테스트 업체 간에도 부품 이동이 필요할 수 있으므로 생산 계획과 물류가 까다로워진다.

 

ADI의 DC~34GHz 스위치 기술의 이점

ADI의 34GHz MEMS 스위치 기술은 5mm x 4mm x 0.9mm의 소형 LGA 패키지에 탁월한 밀도로 고속 디지털 테스트와 DC 테스트를 둘 다 실시할 수 있게 해준다(그림 4). 고속 디지털 테스트를 위해서는 고속 신호가 송신기로부터 스위치를 거쳐서 수신기로 루프백하고, 수신기에서 디코딩을 하고 BER을 계산한다. 파라미터 DC 테스트를 위해서는 스위치가 핀들을 DC ATE 테스터로 연결하면 테스터에서 연속성 테스트나 누설 테스트 같은 파라미터 테스트를 실시하고 디바이스 기능성을 검사한다. 파라미터 DC 테스트 때에는 MEMS 스위치가 고주파수로 ATE와 통신할 수 있다. 애플리케이션에 따라서 이 기능이 필요할 수 있다.
 

그림 4: ADGM1001을 사용해서 고속 디지털 테스트와 DC 테스트를 둘 다 실시할 수 있다(편의상 P 채널만 표시)
 

그림 5: 릴레이를 사용할 때와 ADGM1001을 사용할 때 루프백 솔루션 비교
 
그림 5는 릴레이를 사용할 때와 ADGM1001 MEMS 스위치를 사용할 때 고속 디지털 테스트 솔루션을 비교해서 보여준다. MEMS 스위치를 사용한 솔루션이 릴레이를 사용한 솔루션보다 거의 50% 더 작다는 것을 알 수 있다. ADGM1001은 5mm x 4mm x 0.9mm LGA 패키지로서, 이는 통상의 릴레이보다 20배 더 작은 것이다. PCIe Gen 4/5, PAM4, USB 4, SerDes 같은 고주파수 표준은 다수의 송신기 및 수신기 채널을 구동한다. 그러므로 채널-대-채널 변동성을 완화하기 위해서 레이아웃을 복잡하게 하지 않으면서 PCB 고밀화가 필요하다. 이와 같이 진화하는 고주파수 표준의 요구를 충족하는 것으로서 MEMS 스위치는 디지털 SoC 테스트를 위한 로드 보드 설계에서 강도 높은 고밀화를 이루고 향상된 기능성을 달성하게 한다.
 
통상적으로 릴레이는 크기가 크고 고주파 성능이 제한적이다. 릴레이는 솔루션 크기를 줄이면서 PCIe Gen 4/5, PAM4, USB 4, SerDes 같은 고주파수 표준을 지원하기가 쉽지 않다. 대다수 릴레이는 8GHz 이상으로 동작하지 못하고 고주파에서 삽입 손실이 나쁘기 때문에 신호 무결성에 영향을 미치고 테스트 커버리지를 제한한다.
 

ADGM1001 소개

ADGM1001 SPDT MEMS 스위치는 DC부터 34GHz까지 업계에서 앞선 성능을 달성한다. 극히 낮은 기생성분과 넓은 대역폭으로 64Gbps에 이르기까지 신호에 미치는 영향이 극히 적고 채널 스큐, 지터, 전달 지연이 낮으므로 고충실도 데이터 전송을 달성한다. 34GHz에서 삽입 손실이 1.5dB로 낮고, R_ON이 정격 3Ω으로 낮다. 선형성은 69dBm으로 우수하고, 33dBm의 높은 RF 전력을 처리할 수 있다. 소형화된 5mm x 4mm x 0.95mm 플라스틱 SMD 패키지로 제공되며, 3.3V 전원과 단순한 저전압 제어 인터페이스를 사용해서 동작한다. 이 모든 특성들이 더해져서 ADGM1001은 그림 4에서 보이는 것처럼 단일 테스트 삽입으로 고속 디지털 테스트와 DC 파라미터 테스트를 둘 다 실시할 수 있는 ATE 애플리케이션에서 이상적이다.
 

그림 6: ADGM1001의 RF 성능
 

그림 7: 5mm x 4mm x 0.9mm 24핀 LGA 패키지
 
ADGM1001은 사용하기도 편리하다. 23번 핀에 3.3V의 V_DD를 인가해서 동작할 수 있다. V_DD는 3.0V ~ 3.6V로 동작이 가능하다. 제어는 로직 제어 인터페이스(1번 핀부터 4번 핀까지)나 SPI 인터페이스를 통해서 할 수 있다. 필요한 모든 수동 소자들을 패키지 내부에 포함함으로써 설계를 단순화하고 보드 공간을 절약한다. 그림 8은 ADGM1001의 기능 블록 다이어그램을 보여준다.
 

그림 8: ADGM1001의 기능 블록 다이어그램

 

ADGM1001을 사용한 단일 삽입 테스트의 이점

• 뛰어난 고속 및 DC 성능: DC부터 34GHz까지 넓은 대역폭을 달성하는 것이 오늘날 업계의 중요한 과제가 되었다. ADGM1001은 DC부터 34GHz까지 삽입 손실, 선형성, RF 전력 처리, R_ON 같은 주요 파라미터들로 앞선 성능을 달성한다.
• OPEX 절감:
  • 하드웨어 감소: 단일 삽입 테스트는 하나의 테스트 하드웨어만 있으면 된다. 그러므로 사용자가 두 가지 하드웨어 세트와 테스트 장비에 투자할 필요가 없으므로 OPEX를 크게 절감할 수 있다.
  • 테스터 가동률: ADGM1001은 1억 사이클이 가능하므로 릴레이에 비해서 신뢰성이 훨씬 더 우수하며 테스터 가동률을 향상시킨다. 그럼으로써 궁극적으로 OPEX를 절약한다.
• 테스트 쓰루풋 향상: ADGM1001은 단일 삽입 테스트를 가능하게 하므로 테스트 시간을 절반으로 줄이고 테스트 쓰루풋과 자산 활용도를 높인다.
• 솔루션 고밀화 및 미래의 변화에 대비: ADGM1001은 솔루션 밀도와 기능성을 높여준다. 미래의 기술 변화에 대비해서 MEMS 스위치 기술로 탄탄한 로드맵을 구축하고 DC부터 고주파수까지 동작하는 스위치들을 제공한다.
• 물류 비용 감소: 단일 삽입 테스트는 부품의 이동이 더 적으므로 물류 비용을 낮추고 제조 계획을 좀더 수월하게 한다.
• 더 적은 부품 이동: 단일 삽입 테스트는 DUT를 단일 삽입으로 테스트할 수 있으므로 부품의 이동을 줄일 수 있으며 궁극적으로 작업자의 실수 가능성을 줄일 수 있다.

 

맺음말

ADGM1001은 DC부터 34GHz까지 동작하는 향상된 스위치 기술로서, SoC 테스트를 위해서 고속 디지털 테스트와 DC 파라미터 테스트를 결합할 수 있게 해준다. 그럼으로써 테스트 시간을 단축하고, 보드 면적을 절약하며(더 많은 수의 DUT를 테스트하고 쓰루풋 향상), 가동률을 높일 수 있게 해준다(신뢰성 향상).
 
ADGM1001은 ADI의 MEMS 스위치 제품군에 새롭게 추가된 제품으로서, 이 제품군은 고속 SoC 테스트의 필요에 맞춰서 계속해서 진화하고 있다. ADI의 MEMS 스위치 기술은 미래의 기술 변화에 대비하기 위해서 탄탄한 로드맵을 구축하고 DC부터 고주파에 이르는 스위칭 기능을 지원한다.
 
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저자 소개

리처드 훌리한(Richard Houlihan)은 전자 업계에 25년 넘게 종사하면서 설계, 제품 라인 관리, 마케팅, 사업부 지휘 같은 다양한 직책을 역임했다. 현재는 아나로그디바이스의 첨단 스위치 및 다중화기 제품 라인 마케팅 및 사업 개발을 책임지고 있다. 아날로그 프런트엔드 아키텍처에 있어서 쌓아온 전문성과 시장에 대한 폭넓은 경험을 바탕으로 전략적 혁신과 제품 개발을 지휘하고 있다. 트리니티 칼리지 더블린에서 전자공학 학사학위 및 노스이스턴 대학(보스턴)에서 MBA를 취득했다.
 
 

나빈 둘(Naveen Dhull)은 2011년에 아일랜드의 워터포드 공과대학에서 전자공학 학사학위를 취득했다. 2011년에 IC 레이아웃 엔지니어로 아나로그디바이스에 입사했으며, 2016년에 스위치 및 다중화기 애플리케이션 그룹으로 옮겨서 제품 애플리케이션 엔지니어로서 CMOS를 적용한 RF 스위치와 MEMS 스위치 기술을 주로 맡고 있다.
 
 

파드레이그 피츠제럴드(Padraig Fitzgerald)는 2002년에 리머릭 대학에서 전자공학 학사학위를 취득했다. 2002년에 아날로그디바이스(아일랜드 리머릭)에 입사해서 솔리드 스테이트 스위치 평가 엔지니어로 경력을 시작했으며 2007년에 스위치 설계로 옮겼다. 코크 공과대학에서 MEMS 스위치 신뢰성에 관해서 연구 석사를 수료했으며, 런던 대학에서 금융학 및 경제학 석사학위를 취득했다. 현재는 정밀 스위치 그룹의 수석 설계 엔지니어이자 MEMS 스위치 제품 및 디바이스 설계를 맡고 있다.