本文來源：TechSugar。世界經(jīng)理人經(jīng)授權轉載

文︱BRYON MOYER

來源︱semiengineering

編譯 | 編輯部

支持毫米波5G信號的芯片，正面臨著一系列新的設計和測試挑戰(zhàn)。

那些在較低頻率下可以忽略的影響，現(xiàn)在變得很重要。與工作頻率低于6GHz的芯片相比，對射頻芯片進行大批量測試需要更多的自動測試設備（ATE）。

“毫米波設計是一個相當古老的技術，”Ansys研發(fā)副總裁Yorgos Koutsoyannopoulos表示。“不同的是，如今我們嘗試在標準CMOS上使用這些最佳實踐。”

5G技術上的標準CMOS應該進行大批量轉換——這是不同的。“毫米波在產(chǎn)品測試過程中是一種相對較為新奇的現(xiàn)象，”FormFactor射頻產(chǎn)品組高級營銷總監(jiān)Tim Cleary表示。“幾年前，毫米波設計已經(jīng)開始運用。汽車雷達大概是第一個真正大批量運用的毫米波產(chǎn)品。”

測試面臨的很多挑戰(zhàn)主要來自于高頻物理特性，另一些則源于波束成形等新功能。另外，由于測試設備將在系統(tǒng)或接觸式測試中使用，測試邏輯必須考慮到測試設備是否暴露在外。實現(xiàn)有效的大批量測試過程需要有深厚的射頻和機械專業(yè)知識，而這些知識恰恰十分匱乏。

“從組織的角度來看，目前成功的設計團隊將兩個人才融合到同一個團隊中。”Koutsoyannopolous表示，“一個人才是使用砷化鎵或磷化銦等III-V技術進行毫米波設計的人。另一個是來自低頻背景的CMOS設計師。”

在進行毫米波設計的過程中，并非所有的事情都會變得困難。假設CMOS技術在處理和檢查時保持不變。“我們不會改變毫米波的檢查方式，”Onto Innovation檢查產(chǎn)品市場營銷經(jīng)理Ben Meihack表示，“更多的變化集中在封裝方面。”

隨著天線集成在封裝中，封裝變得越來越復雜。但是最大的挑戰(zhàn)還是測試。

大批量硅芯片首次將毫米波測試引入自動測試設備。以前的測試使用臺式機頂設置完成，無法滿足日益增長的數(shù)量需求。這促使高頻射頻能力有了重大發(fā)展，能夠提供經(jīng)濟生產(chǎn)所需的成本和吞吐量。

在研發(fā)實驗室中， 無論付出什么成本和努力，都是為了測量出最準確的結果。在表征硅時，小批量高頻測試已經(jīng)有很多年測試經(jīng)驗。然而，這項測試仍然需要進一步推動。

“在過去的一兩年里，由于晶體管建模遠遠超過了IC的工作頻率，在5G設備中，表征單元硅工藝的常用頻率已經(jīng)高達110GHz，” FormFactor射頻部門事業(yè)發(fā)展總監(jiān)Anthony Lord表示。“隨著毫米波設備的工作頻率達到100GHz，這一頻率越來越高，并已經(jīng)超過110GHz到220GHz，甚至將超過330GHz。”

但是對于產(chǎn)品測試來說，目標始終是在高速下進行效果足夠好的測量，保持較高的吞吐量。這意味著在較小批量下進行的測試中，越來越高的工作頻率使得測試的側重點與傳統(tǒng)測試相比將大相徑庭。

“生產(chǎn)人員對能夠得到的最佳測試結果不感興趣，”Cleary表示，“相反，他們只需要能夠免于責難的最低精確度。”

5G改變了游戲規(guī)則

頻段的范圍和數(shù)量因地區(qū)而異，但往往在26、40和50GHz及以上的范圍內(nèi)。每個頻段需要一個前端和一個天線陣列。

雷達芯片可能有一到三或四條線路，而5G芯片將擁有30條線路。“在5G手機的測試數(shù)量上，他們希望同時測試四到八部手機。”Cleary表示。“所以，現(xiàn)在我們談論的是超過200個毫米波線路，在此之前，他們沒有測試任何毫米波線路。“

未來還會有很多毫米波芯片。“5G毫米波手機將為每個傳統(tǒng)的低于6 GHz的收發(fā)器提供2到3個毫米波設備，”Teradyne無線部門經(jīng)理Stephen Pruitt指出。

幸運的是，目前，針對5G的毫米波方案還沒有準備好部署。“在5G領域，它超越了原型，但其生產(chǎn)數(shù)量有限，”Marvin Test Solutions首席執(zhí)行官Steve Sergeant說。

與6 GHz以下的射頻測試相比，毫米波頻率使設計和測試變得更加困難。在26GHz以上的頻率范圍內(nèi)，測試規(guī)則根據(jù)頻率變化而變化。雖然規(guī)則變化沒有明確的頻率分界點，但6 GHz處于規(guī)則過渡區(qū)之下，28 GHz則處于過渡區(qū)之上。

“在較高頻率范圍內(nèi)，信號路徑丟失和阻抗不匹配等缺陷被放大，極大地影響了信號保真度。”Pruitt表示。“如果頻段在6 GHz的接口板，在電纜、PCB和接觸器接口之間的損耗總數(shù)將小于3到5 dB，那么在同一信號鏈路中，40 GHz的接口板將會有2倍至4倍的損耗。

這對測試設置的影響很大。“將校準精確到探頭尖端變得更加困難，校準速度也更快，”Lord引用一個例子說。

使芯片和測試夾具設計更具挑戰(zhàn)性，無論是芯片上還是芯片外，信號路徑上的每一塊金屬都必須像傳輸線一樣對待。即使對于活性工藝節(jié)點，片上金屬線的長度也將在微米范圍內(nèi)——高達100微米。30 GHz信號的波長約為10 mm，由于其太接近金屬長度，以至于無法忽略傳輸線路的影響。這也會影響設計和測試。

“在這些高頻下，電磁效應對性能產(chǎn)生了實質(zhì)性的影響。” Koutsoyannopoulos表示。“因此，除非十分仔細地考慮這些影響，否則無法真正模擬這些設計的性能。”

“無需其他附加元件，”Ansys應用工程高級主管Anand Rama補充道。“一切都是精心設計的元件。其中一些是主動元件，其余的是被動元件，這些元件一直在相互連接、互相作用。”

如果無法驗證線路上的所有頻率影響，可能導致當前計算不準確。此外，它把連接組件的簡單行為轉變?yōu)閺碗s的分析。

封裝中的天線

在這些尺寸下，天線可以和芯片共同封裝——即所謂“封裝天線”或“AIP”。偶極子天線不能很好地發(fā)揮作用，因此補丁天線被應用在波束成形的陣列中。這需要協(xié)同設計芯片、天線和封裝，來全面理解所有高頻影響。

“在毫米波頻率中，天線尺寸更小，數(shù)量也更多，”Pruitt表示。“這要求芯片和模組制造商在設備封裝中集成天線。在尋找測試設備來源和測量信號時，這種封裝面臨著一系列新的挑戰(zhàn)。”

圖1：補丁天線陣列（圖源：Wikipedia）

這可能會用到很多天線。“你可能有16個天線，工作在28GHz，另外16個天線工作在40GHz。”Cleary指出。

接觸式或非接觸式

測試無線技術時要回答的基本問題之一：是否進行無線測試。這歸結為接觸式測試和無線 (OTA) 測試之間的爭論，并且雙方各執(zhí)一詞。

接觸式測試依賴于探針接觸焊盤并直接進行測量。接觸式測試使天線短路并直接查看呈現(xiàn)給天線的信號。這樣做容易得多，損耗也少得多。但不包括成品中的封裝和天線效應。

“在研發(fā)領域，對于高精度的依賴性建模和表征，除了真正接觸之外，其他測試方法不會得到更好的結果。”Lord表示。

對于晶圓分類，接觸式測試意味著接觸焊盤，這是迄今為止晶圓級測試的主要方法。無需連接天線，也無需擔心封裝，因此，這是在晶圓分割之前進行芯片測試的最簡單、最具成本效益的方法。

在最終測試中，接觸式測試意味著接觸封裝的球形焊點。天線下方通常有焊球——僅用于測試——以允許對芯片本身進行接觸式測試。

圖2：接觸內(nèi)部補丁天線元件通常提供給外部焊球，如簡圖所示。接觸測試可以通過接觸焊球進行：OTA測試可使用封裝外的接收器補丁天線進行。這些焊球沒有操作目的——它們只用于測試。資料來源：Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

對于封裝部分，OTA測試提供了設備在真實系統(tǒng)中如何執(zhí)行的更逼真視圖。“對于模塊測試，如何在不接觸設備的情況下進行測量是一個挑戰(zhàn)。”Pruitt表示。“使用導體材料與天線的任何接觸都會改變天線的特性阻抗，并影響其性能。在這種情況下，輻射測試是測試這些設備的唯一方法。”

但是OTA測試是困難的，而且目前來看，實現(xiàn)成本很高。OTA測試損耗要高得多且無法忽視，所以有些人認為接觸式測試效果更佳。還有一些人要求進行OTA測試僅僅是因為其測試更完整。

芯片通過多個天線輻射信號以接收結果并在測試儀中進行分析，這就面臨著機械和測試場景的挑戰(zhàn)，而這些挑戰(zhàn)仍未解決。已找到的解決方案實施起來過于昂貴——尤其是對于大批量測試來說。

OTA測試的主要挑戰(zhàn)之一是天線應離發(fā)送器有多遠。測試在所謂的近場和遠場中運行方式不同。在實際使用中，接收天線將深入到遠場，這是最現(xiàn)實的測試方式。

遠場測試是困難的。Advantest的業(yè)務發(fā)展經(jīng)理Adrian Kwan表示：“測試遠場一直都面臨很大挑戰(zhàn)，尤其是在低頻段（低于6 Hz）范圍，在這些范圍里你需要很遠的距離。”但是，即使在毫米波頻率中，遠場測試也需要90毫米遠的天線。

對于生產(chǎn)測試員來說，這仍然不切實際。“在自動測試設備空間中，很難為大批量多站點生產(chǎn)部署遠場測試。”Kwan表示。

在Kwan看來，可行的方案是建立近場測量，并將它們與遠場測試等效物聯(lián)系起來。這可以將間距縮小到9 mm以下。

然而，批量執(zhí)行所有這些操作涉及測試基礎架構的每一部分。“就干擾而言，機械插座設計面臨很多挑戰(zhàn)，”Kwan 指出。

他們設計了一個可以處理兩種測試的插座。“類似于普通插座，但這款插座有內(nèi)置的補丁天線，”他說。“它可以在封裝焊球上測試所有數(shù)字和直流產(chǎn)品，也可以使用補丁天線進行OTA測試。”

在近場測試中，補丁天線的替代方案是進行自輻射。“在這種情況下，插座充當反射器，設備天線可以有效地自我收發(fā)。”Pruitt表示。“雖然這允許更簡單的測試設備配置，但禁止傳輸壓縮、EIRP和接收靈敏度等關鍵測試。”

波束成形和回環(huán)

波束成形使用天線陣列元素的相位差來引導光束向特定方向移動，給測試程序帶來了其本身的挑戰(zhàn)。波束成形能夠提高能源使用效率，因為給定5G用戶的信號直接傳輸給用戶，而不是像傳統(tǒng)技術一樣向四面八方傳播。大部分廣播信號的能量被浪費了。

圖3：第一幅圖顯示了當今的典型情況，其中信號廣播時，大部分信號被浪費。波束成形僅將能量集中在所需的目標上，如第二幅圖所示，其余浪費的能量被節(jié)省下來。資料來源：Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

“快速光束轉向是這些設備的一個基本特征，通過在設備寄存器中存儲預先定義的狀態(tài)來實現(xiàn)，然后根據(jù)需要調(diào)用這些狀態(tài)，從而大大提高了設備的響應速度。”Marvin Test Solutions營銷總監(jiān) Joe Semancik表示。

但測試效果仍需要進一步驗證。“在這些毫米波設備中，我們?nèi)匀荒芸吹絺鹘y(tǒng)的無線電測試（即增益、相位噪聲、調(diào)制質(zhì)量等），波束成形儀器的加入要求自動測試設備在不同天線元件連接上測試絕對和相對的相位/增益等。”Pruitt表示。“能夠校準自動測試設備硬件的相位和振幅，并向測試設備提供信號去嵌入，對于實現(xiàn)質(zhì)量性能測試至關重要。”

通過接觸測試，可以利用測量天線元件之間的相位關系來確保它們正常工作。對于封裝部分，這是通過連接天線下的焊球來完成的。

對于OTA測試，需要多個接收器補丁天線。一個可以用作參考，另一個則相對于第一個進行測量。測試相位差的范圍是0°到180°。

作為任何收發(fā)器設計都熟知的概念，回環(huán)是OTA測試的一個替代選項?；丨h(huán)需要一個獨立的收發(fā)器，傳輸一個信號，然后將信號傳回同一收發(fā)器內(nèi)的接收器。通過電線或切換連接，回環(huán)在低頻中很容易實現(xiàn)，但其在毫米波頻率中卻很難實現(xiàn)。

內(nèi)部回環(huán)測試的一個好處是繞過機械測試設置。“無需考慮環(huán)境，也無需考慮測試效果，”Kwan解釋道。“因此，這與黃金樣件設備測試一樣好，在這種測試中，一個好的收發(fā)器會傳輸信號，然后相同的收發(fā)器會測量信號。

圖4：實驗中，發(fā)送器（TX）向天線發(fā)送信號，接收器從天線接收信號。出于測試目的，回環(huán)將傳輸?shù)男盘栔苯觽骰亟邮掌?。（圖源：Bryon Moyer/Semiconductor Engineering）

然而，在這些頻率下回環(huán)并不容易。“沒有多少無晶圓收發(fā)器玩家能夠部署回環(huán)，”Kwan表示。以及一些可以將這些電路視為關鍵IP的公司也沒有能力部署。

回環(huán)在測試設備上實施尤其困難。“一毫米的發(fā)送線就能完全改變工作頻譜，”Kwan表示。“因此在負載板上進行回環(huán)需要非常小心。”

但是，即使成功，回環(huán)測試的效果也不是最佳。首先，完整的封裝和天線沒有考慮周到。其次，據(jù)Kwan稱，黃金樣件設備的測試可能有誤?？蛻舾信d趣的是讓設備進行客觀的測量，而不是使用相對測量。

“現(xiàn)在，很多客戶要么進行回環(huán)測試，要么單獨測試天線，”Kwan表示。“未來，他們需要能夠在大批量生產(chǎn)中測試完整的AIP模塊。”

提升吞吐量

多站點測試是降低成本、提高吞吐量的必選途徑。在進行接觸式測試時，此類測試非常簡單。但是在封裝部分進行OTA最終測試時，這意味著多個芯片需要在互不干涉的情況下同時進行測試。Advantest聲稱已為此找到合適的解決方案，可以同時進行八站點測試。

跨頻段的平行測試也有可能實現(xiàn)。“如果系統(tǒng)有能力在不同端口處理多個頻率，則可以同時測試sub-GHz和毫米波頻率。”Kwan表示。每個頻段都有獨立的前端，因此測試不同頻段需要能夠同時驅動多個獨立射頻信號。

這對于同一頻段內(nèi)的多個通道是不同的。每個通道有100MHz帶寬，并共用同一前端。這意味著測試者可以將不同通道的信號混合至相同的前端，并同時使用全雙工驅動所有通道。這和實際系統(tǒng)中的情況類似。

對于波束成形，也可以同時在不同通道上進行獨立測試。一個通道可以驅動另一個通道向左發(fā)射光束，同時另一個通道向右發(fā)射光束。然后由接收器將結果拆分為獨立通道進行驗證。

芯片上也可能有更多的射頻電路，電路板上很可能同時有數(shù)字電路——至少用于控制射頻模塊。數(shù)字電路可以與射頻以相同的插入方式進行測試，因此不需要單獨的測試人員或插入。

當查看所有正在測試的各種芯片時，其中的小部分芯片有可能需要進行毫米波測試。

“如果你要使用幾十個需要200個毫米波線路的芯片之一，而你在工廠中運行的所有其余芯片都不到20個，那么你真的要建立一個能夠處理所有這些事情的專用測試儀器嗎？還是要嘗試找出其他方法呢？”Cleary問道。“客戶想要的是擁有一個測試儀器，該測試儀器涵蓋了他們測試計劃中大多數(shù)芯片所需的核心功能，然后能夠在探針卡上進行擴展，以滿足不同的產(chǎn)品組合。”

在節(jié)省測試儀器成本的同時，也會使負載板更加昂貴、更加復雜，需要射頻開關和上下變頻器等組件。

從經(jīng)濟效益來看，通常需要更少的成本注入，但也有例外發(fā)生。“客戶的權衡是所有非射頻測試都承擔了與毫米波測試相關的額外成本，”Pruitt指出。“在一些案例中，我們看到客戶通過多次投資將一些非射頻測試（主要是DC和掃描）與射頻測試分開了。”

終極難題：成本

毫米波測試已經(jīng)解決了很多技術性難題。雖然其他問題依然存在，但最大的挑戰(zhàn)是成本。尤其是對OTA測試來說，毫米波測試過于昂貴，這就導致毫米波測試的采用率逐漸下降。

“測試毫米波頻率并不便宜，”Cleary表示。“這不適合財政空虛的企業(yè)。”

值得慶幸的是，毫米波測試的技術將會在下一代移動通信技術上應用并發(fā)揚光大。“6G應用的落地可能還需要十年時間，但是他們正在討論將來采用哪些頻段。”Kwan指出。這些通信技術的頻率似乎呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢。

但這并不意味著不會再有更多工作可做。“他們談論的工作頻率高達200GHz，”Lord表示，“如果工作頻率達到了這些頻率，問題將會變得更加復雜，因為沒有單一的連接器能夠覆蓋如此廣泛的范圍。”

因此，我們需要更多創(chuàng)造性工程，來為下一代移動通信技術開發(fā)更具經(jīng)濟效益、成本更低的解決方案。