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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(shè)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(jìn)行大批量測試需要更多的自動測試設(shè)備（ATE）。

“毫米波設(shè)計是一個相當(dāng)古老的技術(shù)，”Ansys研發(fā)副總裁Yorgos Koutsoyannopoulos表示。“不同的是，如今我們嘗試在標(biāo)準(zhǔn)CMOS上使用這些最佳實(shí)踐。”

5G技術(shù)上的標(biāo)準(zhǔn)CMOS應(yīng)該進(jìn)行大批量轉(zhuǎn)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(shè)計已經(jīng)開始運(yùn)用。汽車?yán)走_(dá)大概是第一個真正大批量運(yùn)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(shè)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(shè)備是否暴露在外。實(shí)現(xiàn)有效的大批量測試過程需要有深厚的射頻和機(jī)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(shè)計團(tuán)隊將兩個人才融合到同一個團(tuán)隊中。”Koutsoyannopolous表示，“一個人才是使用砷化鎵或磷化銦等III-V技術(shù)進(jìn)行毫米波設(shè)計的人。另一個是來自低頻背景的CMOS設(shè)計師。”

在進(jìn)行毫米波設(shè)計的過程中，并非所有的事情都會變得困難。假設(shè)CMOS技術(shù)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(fù)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(shè)備。以前的測試使用臺式機(jī)頂設(shè)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(jì)生產(chǎn)所需的成本和吞吐量。

在研發(fā)實(shí)驗(yàn)室中， 無論付出什么成本和努力，都是為了測量出最準(zhǔn)確的結(jié)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(yàn)。然而，這項測試仍然需要進(jìn)一步推動。

“在過去的一兩年里，由于晶體管建模遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了IC的工作頻率，在5G設(shè)備中，表征單元硅工藝的常用頻率已經(jīng)高達(dá)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(shè)備的工作頻率達(dá)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(biāo)始終是在高速下進(jìn)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(jìn)行的測試中，越來越高的工作頻率使得測試的側(cè)重點(diǎn)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(jié)果不感興趣，”Cleary表示，“相反，他們只需要能夠免于責(zé)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(dá)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(jī)的測試數(shù)量上，他們希望同時測試四到八部手機(jī)。”Cleary表示。“所以，現(xiàn)在我們談?wù)摰氖浅^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(jī)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(shè)備，”Teradyne無線部門經(jīng)理Stephen Pruitt指出。

幸運(yùn)的是，目前，針對5G的毫米波方案還沒有準(zhǔn)備好部署。“在5G領(lǐng)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(shè)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(diǎn)，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(shè)置的影響很大。“將校準(zhǔn)精確到探頭尖端變得更加困難，校準(zhǔn)速度也更快，”Lord引用一個例子說。

使芯片和測試夾具設(shè)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(diǎn)，片上金屬線的長度也將在微米范圍內(nèi)——高達(dá)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(shè)計和測試。

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

“無需其他附加元件，”Ansys應(yīng)用工程高級主管Anand Rama補(bǔ)充道。“一切都是精心設(shè)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(yàn)證線路上的所有頻率影響，可能導(dǎo)致當(dāng)前計算不準(zhǔn)確。此外，它把連接組件的簡單行為轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)雜的分析。

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(bǔ)丁天線被應(yīng)用在波束成形的陣列中。這需要協(xié)同設(shè)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(shè)備封裝中集成天線。在尋找測試設(shè)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(bǔ)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(shù)時要回答的基本問題之一：是否進(jìn)行無線測試。這歸結(jié)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(jìn)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(yīng)。

“在研發(fā)領(lǐng)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(jié)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(dān)心封裝，因此，這是在晶圓分割之前進(jìn)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(diǎn)。天線下方通常有焊球——僅用于測試——以允許對芯片本身進(jìn)行接觸式測試。

圖2：接觸內(nèi)部補(bǔ)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(jìn)行：OTA測試可使用封裝外的接收器補(bǔ)丁天線進(jìn)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(shè)備在真實(shí)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(shè)備的情況下進(jìn)行測量是一個挑戰(zhàn)。”Pruitt表示。“使用導(dǎo)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(shè)備的唯一方法。”

但是OTA測試是困難的，而且目前來看，實(shí)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(rèn)為接觸式測試效果更佳。還有一些人要求進(jìn)行OTA測試僅僅是因?yàn)槠錅y試更完整。

芯片通過多個天線輻射信號以接收結(jié)果并在測試儀中進(jìn)行分析，這就面臨著機(jī)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(shí)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(yīng)離發(fā)送器有多遠(yuǎn)。測試在所謂的近場和遠(yuǎn)場中運(yùn)行方式不同。在實(shí)際使用中，接收天線將深入到遠(yuǎn)場，這是最現(xiàn)實(shí)的測試方式。

遠(yuǎn)場測試是困難的。Advantest的業(yè)務(wù)發(fā)展經(jīng)理Adrian Kwan表示：“測試遠(yuǎn)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(yuǎn)的距離。”但是，即使在毫米波頻率中，遠(yuǎn)場測試也需要90毫米遠(yuǎn)的天線。

對于生產(chǎn)測試員來說，這仍然不切實(shí)際。“在自動測試設(shè)備空間中，很難為大批量多站點(diǎn)生產(chǎn)部署遠(yuǎn)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(yuǎn)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(chǔ)架構(gòu)的每一部分。“就干擾而言，機(jī)械插座設(shè)計面臨很多挑戰(zhàn)，”Kwan 指出。

他們設(shè)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(bǔ)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(bǔ)丁天線進(jìn)行OTA測試。”

在近場測試中，補(bǔ)丁天線的替代方案是進(jìn)行自輻射。“在這種情況下，插座充當(dāng)反射器，設(shè)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(shè)備配置，但禁止傳輸壓縮、EIRP和接收靈敏度等關(guān)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(dǎo)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?yàn)榻o定5G用戶的信號直接傳輸給用戶，而不是像傳統(tǒng)技術(shù)一樣向四面八方傳播。大部分廣播信號的能量被浪費(fèi)了。

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

“快速光束轉(zhuǎn)向是這些設(shè)備的一個基本特征，通過在設(shè)備寄存器中存儲預(yù)先定義的狀態(tài)來實(shí)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(shè)備的響應(yīng)速度。”Marvin Test Solutions營銷總監(jiān) Joe Semancik表示。

但測試效果仍需要進(jìn)一步驗(yàn)證。“在這些毫米波設(shè)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(shè)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(zhǔn)自動測試設(shè)備硬件的相位和振幅，并向測試設(shè)備提供信號去嵌入，對于實(shí)現(xiàn)質(zhì)量性能測試至關(guān)重要。”

通過接觸測試，可以利用測量天線元件之間的相位關(guān)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(bǔ)丁天線。一個可以用作參考，另一個則相對于第一個進(jìn)行測量。測試相位差的范圍是0°到180°。

作為任何收發(fā)器設(shè)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(dú)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(shí)現(xiàn)，但其在毫米波頻率中卻很難實(shí)現(xiàn)。

內(nèi)部回環(huán)測試的一個好處是繞過機(jī)械測試設(shè)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(shè)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(shí)驗(yàn)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鳌＃▓D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(guān)鍵IP的公司也沒有能力部署。

回環(huán)在測試設(shè)備上實(shí)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(fù)載板上進(jìn)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(shè)備的測試可能有誤?？蛻舾信d趣的是讓設(shè)備進(jìn)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(jìn)行回環(huán)測試，要么單獨(dú)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(diǎn)測試是降低成本、提高吞吐量的必選途徑。在進(jìn)行接觸式測試時，此類測試非常簡單。但是在封裝部分進(jìn)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(jìn)行測試。Advantest聲稱已為此找到合適的解決方案，可以同時進(jìn)行八站點(diǎn)測試。

跨頻段的平行測試也有可能實(shí)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(dú)立的前端，因此測試不同頻段需要能夠同時驅(qū)動多個獨(dú)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(qū)動所有通道。這和實(shí)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(jìn)行獨(dú)立測試。一個通道可以驅(qū)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(jié)果拆分為獨(dú)立通道進(jìn)行驗(yàn)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(jìn)行測試，因此不需要單獨(dú)的測試人員或插入。

當(dāng)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(jìn)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(yùn)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(jìn)行擴(kuò)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(fù)載板更加昂貴、更加復(fù)雜，需要射頻開關(guān)和上下變頻器等組件。

從經(jīng)濟(jì)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(quán)衡是所有非射頻測試都承擔(dān)了與毫米波測試相關(guān)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(shù)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(dǎo)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(shù)將會在下一代移動通信技術(shù)上應(yīng)用并發(fā)揚(yáng)光大。“6G應(yīng)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(shù)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?wù)摰墓ぷ黝l率高達(dá)200GHz，”Lord表示，“如果工作頻率達(dá)到了這些頻率，問題將會變得更加復(fù)雜，因?yàn)闆]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(shù)開發(fā)更具經(jīng)濟(jì)效益、成本更低的解決方案。