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5G芯片测试将面临哪些新的挑战?

字体: 放大字体  缩小字体 发布日期:2021-08-05  浏览次数:5656
 支持毫米波5G信号的芯片,正面临着一系列新的设计和测试挑战。

本文来源:TechSugar。世界经理人经授权转载

文︱BRYON MOYER

来源︱semiengineering

编译 | 编辑部

支持毫米波5G信号的芯片,正面临着一系列新的设计和测试挑战。

那些在较低频率下可以忽略的影响,现在变得很重要。与工作频率低于6GHz的芯片相比,对射频芯片进行大批量测试需要更多的自动测试设备(ATE)。

“毫米波设计是一个相当古老的技术,”Ansys研发副总裁Yorgos Koutsoyannopoulos表示。“不同的是,如今我们尝试在标准CMOS上使用这些最佳实践。”

5G技术上的标准CMOS应该进行大批量转换——这是不同的。“毫米波在产品测试过程中是一种相对较为新奇的现象,”FormFactor射频产品组高级营销总监Tim Cleary表示。“几年前,毫米波设计已经开始运用。汽车雷达大概是第一个真正大批量运用的毫米波产品。”

测试面临的很多挑战主要来自于高频物理特性,另一些则源于波束成形等新功能。另外,由于测试设备将在系统或接触式测试中使用,测试逻辑必须考虑到测试设备是否暴露在外。实现有效的大批量测试过程需要有深厚的射频和机械专业知识,而这些知识恰恰十分匮乏。

“从组织的角度来看,目前成功的设计团队将两个人才融合到同一个团队中。”Koutsoyannopolous表示,“一个人才是使用砷化镓或磷化铟等III-V技术进行毫米波设计的人。另一个是来自低频背景的CMOS设计师。”

在进行毫米波设计的过程中,并非所有的事情都会变得困难。假设CMOS技术在处理和检查时保持不变。“我们不会改变毫米波的检查方式,”Onto Innovation检查产品市场营销经理Ben Meihack表示,“更多的变化集中在封装方面。”

随着天线集成在封装中,封装变得越来越复杂。但是最大的挑战还是测试。

大批量硅芯片首次将毫米波测试引入自动测试设备。以前的测试使用台式机顶设置完成,无法满足日益增长的数量需求。这促使高频射频能力有了重大发展,能够提供经济生产所需的成本和吞吐量。

在研发实验室中, 无论付出什么成本和努力,都是为了测量出最准确的结果。在表征硅时,小批量高频测试已经有很多年测试经验。然而,这项测试仍然需要进一步推动。

“在过去的一两年里,由于晶体管建模远远超过了IC的工作频率,在5G设备中,表征单元硅工艺的常用频率已经高达110GHz,” FormFactor射频部门事业发展总监Anthony Lord表示。“随着毫米波设备的工作频率达到100GHz,这一频率越来越高,并已经超过110GHz到220GHz,甚至将超过330GHz。”

但是对于产品测试来说,目标始终是在高速下进行效果足够好的测量,保持较高的吞吐量。这意味着在较小批量下进行的测试中,越来越高的工作频率使得测试的侧重点与传统测试相比将大相径庭。

“生产人员对能够得到的最佳测试结果不感兴趣,”Cleary表示,“相反,他们只需要能够免于责难的最低精确度。”

5G改变了游戏规则

频段的范围和数量因地区而异,但往往在26、40和50GHz及以上的范围内。每个频段需要一个前端和一个天线阵列。

雷达芯片可能有一到三或四条线路,而5G芯片将拥有30条线路。“在5G手机的测试数量上,他们希望同时测试四到八部手机。”Cleary表示。“所以,现在我们谈论的是超过200个毫米波线路,在此之前,他们没有测试任何毫米波线路。“

未来还会有很多毫米波芯片。“5G毫米波手机将为每个传统的低于6 GHz的收发器提供2到3个毫米波设备,”Teradyne无线部门经理Stephen Pruitt指出。

幸运的是,目前,针对5G的毫米波方案还没有准备好部署。“在5G领域,它超越了原型,但其生产数量有限,”Marvin Test Solutions首席执行官Steve Sergeant说。

与6 GHz以下的射频测试相比,毫米波频率使设计和测试变得更加困难。在26GHz以上的频率范围内,测试规则根据频率变化而变化。虽然规则变化没有明确的频率分界点,但6 GHz处于规则过渡区之下,28 GHz则处于过渡区之上。

“在较高频率范围内,信号路径丢失和阻抗不匹配等缺陷被放大,极大地影响了信号保真度。”Pruitt表示。“如果频段在6 GHz的接口板,在电缆、PCB和接触器接口之间的损耗总数将小于3到5 dB,那么在同一信号链路中,40 GHz的接口板将会有2倍至4倍的损耗。

这对测试设置的影响很大。“将校准精确到探头尖端变得更加困难,校准速度也更快,”Lord引用一个例子说。

使芯片和测试夹具设计更具挑战性,无论是芯片上还是芯片外,信号路径上的每一块金属都必须像传输线一样对待。即使对于活性工艺节点,片上金属线的长度也将在微米范围内——高达100微米。30 GHz信号的波长约为10 mm,由于其太接近金属长度,以至于无法忽略传输线路的影响。这也会影响设计和测试。

“在这些高频下,电磁效应对性能产生了实质性的影响。” Koutsoyannopoulos表示。“因此,除非十分仔细地考虑这些影响,否则无法真正模拟这些设计的性能。”

“无需其他附加元件,”Ansys应用工程高级主管Anand Rama补充道。“一切都是精心设计的元件。其中一些是主动元件,其余的是被动元件,这些元件一直在相互连接、互相作用。”

如果无法验证线路上的所有频率影响,可能导致当前计算不准确。此外,它把连接组件的简单行为转变为复杂的分析。

封装中的天线

在这些尺寸下,天线可以和芯片共同封装——即所谓“封装天线”或“AIP”。偶极子天线不能很好地发挥作用,因此补丁天线被应用在波束成形的阵列中。这需要协同设计芯片、天线和封装,来全面理解所有高频影响。

“在毫米波频率中,天线尺寸更小,数量也更多,”Pruitt表示。“这要求芯片和模组制造商在设备封装中集成天线。在寻找测试设备来源和测量信号时,这种封装面临着一系列新的挑战。”

补丁天线阵列(图源:Wikipedia)
图1:补丁天线阵列(图源:Wikipedia)

这可能会用到很多天线。“你可能有16个天线,工作在28GHz,另外16个天线工作在40GHz。”Cleary指出。

接触式或非接触式

测试无线技术时要回答的基本问题之一:是否进行无线测试。这归结为接触式测试和无线 (OTA) 测试之间的争论,并且双方各执一词。

接触式测试依赖于探针接触焊盘并直接进行测量。接触式测试使天线短路并直接查看呈现给天线的信号。这样做容易得多,损耗也少得多。但不包括成品中的封装和天线效应。

“在研发领域,对于高精度的依赖性建模和表征,除了真正接触之外,其他测试方法不会得到更好的结果。”Lord表示。

对于晶圆分类,接触式测试意味着接触焊盘,这是迄今为止晶圆级测试的主要方法。无需连接天线,也无需担心封装,因此,这是在晶圆分割之前进行芯片测试的最简单、最具成本效益的方法。

在最终测试中,接触式测试意味着接触封装的球形焊点。天线下方通常有焊球——仅用于测试——以允许对芯片本身进行接触式测试。

接触内部补丁天线元件通常提供给外部焊球,如简图所示。接触测试可以通过接触焊球进行:OTA测试可使用封装外的接收器补丁天线进行。这些焊球没有操作目的——它们只用于测试。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering
图2:接触内部补丁天线元件通常提供给外部焊球,如简图所示。接触测试可以通过接触焊球进行:OTA测试可使用封装外的接收器补丁天线进行。这些焊球没有操作目的——它们只用于测试。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

对于封装部分,OTA测试提供了设备在真实系统中如何执行的更逼真视图。“对于模块测试,如何在不接触设备的情况下进行测量是一个挑战。”Pruitt表示。“使用导体材料与天线的任何接触都会改变天线的特性阻抗,并影响其性能。在这种情况下,辐射测试是测试这些设备的唯一方法。”

但是OTA测试是困难的,而且目前来看,实现成本很高。OTA测试损耗要高得多且无法忽视,所以有些人认为接触式测试效果更佳。还有一些人要求进行OTA测试仅仅是因为其测试更完整。

芯片通过多个天线辐射信号以接收结果并在测试仪中进行分析,这就面临着机械和测试场景的挑战,而这些挑战仍未解决。已找到的解决方案实施起来过于昂贵——尤其是对于大批量测试来说。

OTA测试的主要挑战之一是天线应离发送器有多远。测试在所谓的近场和远场中运行方式不同。在实际使用中,接收天线将深入到远场,这是最现实的测试方式。

远场测试是困难的。Advantest的业务发展经理Adrian Kwan表示:“测试远场一直都面临很大挑战,尤其是在低频段(低于6 Hz)范围,在这些范围里你需要很远的距离。”但是,即使在毫米波频率中,远场测试也需要90毫米远的天线。

对于生产测试员来说,这仍然不切实际。“在自动测试设备空间中,很难为大批量多站点生产部署远场测试。”Kwan表示。

在Kwan看来,可行的方案是建立近场测量,并将它们与远场测试等效物联系起来。这可以将间距缩小到9 mm以下。

然而,批量执行所有这些操作涉及测试基础架构的每一部分。“就干扰而言,机械插座设计面临很多挑战,”Kwan 指出。

他们设计了一个可以处理两种测试的插座。“类似于普通插座,但这款插座有内置的补丁天线,”他说。“它可以在封装焊球上测试所有数字和直流产品,也可以使用补丁天线进行OTA测试。”

在近场测试中,补丁天线的替代方案是进行自辐射。“在这种情况下,插座充当反射器,设备天线可以有效地自我收发。”Pruitt表示。“虽然这允许更简单的测试设备配置,但禁止传输压缩、EIRP和接收灵敏度等关键测试。”

波束成形和回环

波束成形使用天线阵列元素的相位差来引导光束向特定方向移动,给测试程序带来了其本身的挑战。波束成形能够提高能源使用效率,因为给定5G用户的信号直接传输给用户,而不是像传统技术一样向四面八方传播。大部分广播信号的能量被浪费了。

第一幅图显示了当今的典型情况,其中信号广播时,大部分信号被浪费。波束成形仅将能量集中在所需的目标上,如第二幅图所示,其余浪费的能量被节省下来。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering
图3:第一幅图显示了当今的典型情况,其中信号广播时,大部分信号被浪费。波束成形仅将能量集中在所需的目标上,如第二幅图所示,其余浪费的能量被节省下来。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

“快速光束转向是这些设备的一个基本特征,通过在设备寄存器中存储预先定义的状态来实现,然后根据需要调用这些状态,从而大大提高了设备的响应速度。”Marvin Test Solutions营销总监 Joe Semancik表示。

但测试效果仍需要进一步验证。“在这些毫米波设备中,我们仍然能看到传统的无线电测试(即增益、相位噪声、调制质量等),波束成形仪器的加入要求自动测试设备在不同天线元件连接上测试绝对和相对的相位/增益等。”Pruitt表示。“能够校准自动测试设备硬件的相位和振幅,并向测试设备提供信号去嵌入,对于实现质量性能测试至关重要。”

通过接触测试,可以利用测量天线元件之间的相位关系来确保它们正常工作。对于封装部分,这是通过连接天线下的焊球来完成的。

对于OTA测试,需要多个接收器补丁天线。一个可以用作参考,另一个则相对于第一个进行测量。测试相位差的范围是0°到180°。

作为任何收发器设计都熟知的概念,回环是OTA测试的一个替代选项。回环需要一个独立的收发器,传输一个信号,然后将信号传回同一收发器内的接收器。通过电线或切换连接,回环在低频中很容易实现,但其在毫米波频率中却很难实现。

内部回环测试的一个好处是绕过机械测试设置。“无需考虑环境,也无需考虑测试效果,”Kwan解释道。“因此,这与黄金样件设备测试一样好,在这种测试中,一个好的收发器会传输信号,然后相同的收发器会测量信号。

实验中,发送器(TX)向天线发送信号,接收器从天线接收信号。出于测试目的,回环将传输的信号直接传回接收器。(图源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering)
图4:实验中,发送器(TX)向天线发送信号,接收器从天线接收信号。出于测试目的,回环将传输的信号直接传回接收器。(图源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering)

然而,在这些频率下回环并不容易。“没有多少无晶圆收发器玩家能够部署回环,”Kwan表示。以及一些可以将这些电路视为关键IP的公司也没有能力部署。

回环在测试设备上实施尤其困难。“一毫米的发送线就能完全改变工作频谱,”Kwan表示。“因此在负载板上进行回环需要非常小心。”

但是,即使成功,回环测试的效果也不是最佳。首先,完整的封装和天线没有考虑周到。其次,据Kwan称,黄金样件设备的测试可能有误。客户更感兴趣的是让设备进行客观的测量,而不是使用相对测量。

“现在,很多客户要么进行回环测试,要么单独测试天线,”Kwan表示。“未来,他们需要能够在大批量生产中测试完整的AIP模块。”

提升吞吐量

多站点测试是降低成本、提高吞吐量的必选途径。在进行接触式测试时,此类测试非常简单。但是在封装部分进行OTA最终测试时,这意味着多个芯片需要在互不干涉的情况下同时进行测试。Advantest声称已为此找到合适的解决方案,可以同时进行八站点测试。

跨频段的平行测试也有可能实现。“如果系统有能力在不同端口处理多个频率,则可以同时测试sub-GHz和毫米波频率。”Kwan表示。每个频段都有独立的前端,因此测试不同频段需要能够同时驱动多个独立射频信号。

这对于同一频段内的多个通道是不同的。每个通道有100MHz带宽,并共用同一前端。这意味着测试者可以将不同通道的信号混合至相同的前端,并同时使用全双工驱动所有通道。这和实际系统中的情况类似。

对于波束成形,也可以同时在不同通道上进行独立测试。一个通道可以驱动另一个通道向左发射光束,同时另一个通道向右发射光束。然后由接收器将结果拆分为独立通道进行验证。

芯片上也可能有更多的射频电路,电路板上很可能同时有数字电路——至少用于控制射频模块。数字电路可以与射频以相同的插入方式进行测试,因此不需要单独的测试人员或插入。

当查看所有正在测试的各种芯片时,其中的小部分芯片有可能需要进行毫米波测试。

“如果你要使用几十个需要200个毫米波线路的芯片之一,而你在工厂中运行的所有其余芯片都不到20个,那么你真的要建立一个能够处理所有这些事情的专用测试仪器吗?还是要尝试找出其他方法呢?”Cleary问道。“客户想要的是拥有一个测试仪器,该测试仪器涵盖了他们测试计划中大多数芯片所需的核心功能,然后能够在探针卡上进行扩展,以满足不同的产品组合。”

在节省测试仪器成本的同时,也会使负载板更加昂贵、更加复杂,需要射频开关和上下变频器等组件。

从经济效益来看,通常需要更少的成本注入,但也有例外发生。“客户的权衡是所有非射频测试都承担了与毫米波测试相关的额外成本,”Pruitt指出。“在一些案例中,我们看到客户通过多次投资将一些非射频测试(主要是DC和扫描)与射频测试分开了。”

终极难题:成本

毫米波测试已经解决了很多技术性难题。虽然其他问题依然存在,但最大的挑战是成本。尤其是对OTA测试来说,毫米波测试过于昂贵,这就导致毫米波测试的采用率逐渐下降。

“测试毫米波频率并不便宜,”Cleary表示。“这不适合财政空虚的企业。”

值得庆幸的是,毫米波测试的技术将会在下一代移动通信技术上应用并发扬光大。“6G应用的落地可能还需要十年时间,但是他们正在讨论将来采用哪些频段。”Kwan指出。这些通信技术的频率似乎呈现出不断增长的趋势。

但这并不意味着不会再有更多工作可做。“他们谈论的工作频率高达200GHz,”Lord表示,“如果工作频率达到了这些频率,问题将会变得更加复杂,因为没有单一的连接器能够覆盖如此广泛的范围。”

因此,我们需要更多创造性工程,来为下一代移动通信技术开发更具经济效益、成本更低的解决方案。

 
 
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