5G芯片增加了测试挑战

支持毫米波(mmWave) 5G信号的芯片的出现带来了一系列新的设计和测试挑战。

在较低频率下可能被忽略的影响现在变得很重要。执行RF芯片的大容量测试将需要更多的自动化测试设备(ATE)比工作在6ghz以下的芯片所需的功率高。

“毫米波设计是一个相当古老的东西，”研发副总裁Yorgos Koutsoyannopoulos说有限元分析软件．“今天的不同之处在于，我们试图在标准CMOS上使用这些最佳实践。”

5G技术上的标准CMOS应该转化为高产量，这也是不同的。“毫米波在生产测试中是一个相对较新的现象，”Tim Cleary说，他是微软射频产品组营销高级总监形状因子．“这是几年前开始的，交易量很大。汽车雷达可能是第一个真正大批量运行的毫米波产品。”

虽然一些挑战来自高频物理，但其他挑战来自波束形成等新功能。此外，测试物流必须考虑是通过空中测试设备(因为它们将在系统中使用)，还是通过接触测试设备。实现有效的大容量测试过程需要大量的射频和机械专业知识，而这些专业知识是供不应求的。

Koutsoyannopolous说:“从组织的角度来看，今天成功的设计团队会把两个人才带进同一个团队。”“一个人才是那些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CMOS设计师，他们来自低频背景。”

在毫米波设计中，并不是所有的事情都变得更加困难。加工和检查，假设CMOS技术，保持不变。“我们不会改变毫米波检测的方式，”该公司检测产品营销经理Ben Meihack说上的创新．“这更多的是在包装方面。”

包装确实变得更加复杂，因为里面有天线。但最引人注目的新挑战是测试。

大容量硅芯片首次将毫米波测试带入ATE领域。以前的测试是使用台式设置完成的，这无法应对未来所需的容量。这刺激了高频射频能力的显著发展，可以提供经济生产所需的成本和吞吐量。

在研发实验室中，最重要的是尽可能地进行最准确的测量，无论成本或精力如何。多年来，在表征硅时，高频已经在小容量中进行了测试，但这也在进一步推进。

FormFactor射频业务开发总监Anthony Lord表示:“在过去的一两年里，用于表征5G设备的电池硅工艺的通用频率已高达110 GHz，因为晶体管的建模远远超出了IC的工作频率。“现在已经超过110 GHz到220 GHz，甚至330 GHz，因为我们正在研究工作在100 GHz毫米波上的设备。”

但是对于生产测试，目标是在高速下进行足够好的测量，保持高吞吐量。这意味着与传统上在低产量时所做的非常不同的权衡。

“生产人员对他们能得到的最佳测量结果不感兴趣，”Cleary说。“相反，他们需要尽可能少的准确性。”

5G改变游戏规则
确切的频段和频段数量因地区而异，但它们往往在26,40和50+ GHz范围内。每个波段都需要一个前端和天线阵列。

虽然雷达芯片可能有一条到三条或四条线，5克芯片将有30条线。克利里说:“以5G手机可能拥有的容量，他们希望一次测试4到8个。”“所以现在我们谈论的是200毫米波以上的线路，在此之前他们没有测试过任何线路。”

而且会有很多毫米波芯片。Teradyne无线部门经理Stephen Pruitt指出:“5G毫米波手机将为每个传统的sub-6 GHz收发器配备2 - 3个毫米波设备。

幸运的是，目前5G的毫米波实现还没有准备好部署。Marvin Test Solutions首席执行官Steve Sergeant表示:“在5G的世界里，它已经超越了原型，但它的产量有限。”

毫米波频率使设计和测试比低于6 GHz的射频测试更加困难。在频率超过26 GHz时，规则会发生变化。虽然这一转变没有硬性的界限，但频段之间的差距是6 GHz稳定地位于转变的下方，28 GHz稳定地位于转变的上方。

Pruitt说:“在这些更高的频率下，信号路径损耗和阻抗不匹配会被放大，并极大地影响信号保真度。”“在6 GHz的接口板之间，电缆、PCB和接触器接口之间的总损耗小于3 - 5db，而设计为40 GHz的接口板在相同的信号链上，损耗将增加2 - 4倍。”

这对测试设置有影响。洛德举了一个例子说:“精确校准探针尖端变得更加困难，而且校准漂移得更快。”

使芯片和测试夹具设计更具挑战性的是，沿着信号路径的每一块金属都必须像传输线一样处理，包括芯片上和芯片外。即使是激进的工艺节点，芯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毫米，这与金属长度太接近，不能忽略传输线效应。这会影响设计和测试。

Koutsoyannopoulos说:“在这些高频率下，电磁效应会对性能产生很大影响。”“所以，除非你非常仔细地考虑这些影响，否则你无法真正模拟这些设计的性能。”

Ansys应用工程高级总监Anand Raman补充道:“现在已经没有寄生组件了。“一切都是精心设计的组件。其中一些是主动组件，其余的是被动组件，它们都在随时相互通信。”

如果不能验证所有频率对线路的影响，可能会导致不准确的电流计算。此外，它将连接组件的简单行为变成了复杂的分析。

包装内天线
在这些尺寸上，天线可以与芯片共同封装，即所谓的“封装天线”或“AIP”。偶极天线不太好用，所以贴片天线在阵列中用于波束形成。这需要芯片、天线和封装的协同设计，以充分理解所有高频效应。

普鲁特说:“在毫米波频率下，天线要小得多，数量也多得多。”这使得芯片和模块制造商可以在设备包装中包含天线。在寻找DUT的源信号和测量信号时，这种封装带来了一系列新的挑战。”

图1:贴片天线阵列。来源:法语维基百科的Serge Nueffer，由Bloody-libu使用CommonsHelper转移到Commons。， cc by-sa 3.0

而且可能会有很多天线元件。Cleary指出:“你可能有16个元件工作在28ghz，另外16个元件工作在40ghz。

联系还是不联系
测试无线技术时要回答的一个基本问题是是否进行无线测试。这可以归结为接触测试和空中(OTA)测试之间的争论，观点不同。

接触测试依赖于探针接触衬垫并直接进行测量。它使天线短路，并直接观察向天线传送的信号。这样做容易得多，损失也小得多。但它不包括成品中的包装和天线效果。

洛德说:“在研发领域，要获得高度精确的依赖建模和描述，没有比实际接触更好的方法了。”

对于晶圆排序，接触测试意味着接触衬垫，这是迄今为止晶圆级的主要方法。目前还没有连接天线的实用方法，也没有需要担心的封装，所以这是在晶圆隔离之前进行模具测试的最简单、最经济的方法。

在最后的测试中，接触测试是指接触包装的球。天线下面通常有球——仅用于测试——以允许对芯片本身进行接触测试。但这忽略了重要的行为。

图2:与内部贴片天线元件的接触通常提供给外部球，如简化形式所示。接触测试可以通过接触球进行;OTA测试可以使用封装外的接收贴片天线进行。这些球没有任何操作目的——它们只是用来测试的。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

对于封装好的部件，OTA测试可以更真实地了解设备在实际系统中的表现。普鲁特说:“对于模块测试来说，挑战在于如何在不接触设备的情况下测量设备。”“使用导电材料与天线的任何接触都会改变其特性阻抗和冲击性能。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测试很困难，目前实现它的成本很高。损失要高得多，必须加以应对，因此一些人认为接触测试更好。但其他人要求OTA测试只是因为它更完整。

让芯片通过多个天线辐射信号来获取结果，并在测试仪中进行分析，这带来了机械和现场的挑战，这些挑战仍在解决中。已经发现的有效解决方案实施起来成本很高——特别是对于大容量的应用。

OTA测试的主要挑战之一与天线与发射机的距离有关。场的运作在所谓的近场和远场是不同的。在实际使用中，接收天线将深入远场，所以这是最现实的测试方式。

远场测试很困难。“远场测试总是有一个挑战，特别是在较低的频率范围(低于6赫兹)，你需要很远的距离，”Adrian Kwan说效果显著．但即使使用毫米波频率，远场测试也需要90毫米左右的天线。

这对于产品测试人员来说仍然是不切实际的。Kwan表示:“在ATE领域，很难在远场部署大批量多站点生产。

据Kwan说，有希望的是，已经有了进行近场测量并将其与远场等效物相关联的既定方法。这样可以将间距减小到9毫米以下。

然而，批量完成所有这些工作涉及到测试基础设施的每个部分。“就干扰而言，机械插座设计提出了很多挑战，”Kwan指出。

他们设计了一个套接字，可以处理这两种测试。他说:“除了内置贴片天线外，它与普通插座非常相似。”“它可以在封装球上测试所有数字和DC设备，但它也可以使用贴片天线进行OTA测试。”

在近场使用贴片天线的另一种选择是进行自辐射。普鲁特说:“在这种情况下，插座就像一个反射器，设备天线就有效地回圈了。”“虽然这允许更简单的测试配置，但它禁止诸如传输压缩、EIRP和接收灵敏度等关键测试。”

处理波束形成和环回
波束形成利用天线阵列元件的相位差将波束引导到特定方向，这给测试程序带来了挑战。波束形成可以更有效地使用能源，因为给定5G用户的信号直接针对用户，而不是像我们今天所拥有的那样向各个方向广播。大部分广播信号能量都被浪费了。

图3:上面的部分显示了今天的典型情况，其中一个信号被广播，大部分信号被浪费了。波束形成只将能量集中在期望的目标上，如底部所示，剩余的浪费的能量现在被节省下来。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

Marvin Test Solutions市场总监Joe Semancik表示:“快速波束转向是这些设备的一个基本特征，它是通过在设备寄存器中存储预定义的状态来实现的，然后根据需要调用这些状态，从而大大提高了设备的响应时间。”

但这种能力需要测试。“虽然我们仍然看到传统的无线电测试(即。在这些毫米波设备中，波束形成器的包含要求ATE测试不同天线元件连接上的绝对和相对相位/增益，”Pruitt说。能够校准ATE硬件的相位和振幅，并向DUT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，可以通过测量天线元件之间的相位关系来完成，以确保它们正常工作。对于封装部件，这是通过访问天线下的球来完成的。

OTA测试需要多个接收天线贴片。其中一个可以作为参考，其他的则相对于第一个进行测量。然后可以从0°到180°相差进行测试。

OTA测试的另一种选择是回送，对于任何收发器设计都是一个熟悉的概念。它使用单个收发器，发送一个信号，然后将其路由回同一收发器内的接收器。对于较低的频率，用电线或开关连接很容易做到，但在毫米波频率上要困难得多。

内部环回测试的一个好处是绕过机械测试设置。“没有环境方面的考虑。没有测试者效应，”Kwan解释道。“所以这就像黄金设备测试一样好，一个好的收发器传输一个信号，然后同样的收发器测量它。”

图4:工作过程中，发射机(TX)向天线发送信号，接收机(RX)从天线带来信号。出于测试目的，环回将传输的信号直接路由回接收机。资料来源:Bryon Moyer/Semiconductor Engineering

然而，在这些频率上环回并不容易。“没有多少无晶圆厂收发机能够部署环回，”Kwan说。那些公司认为这些电路是关键的知识产权。

在DUT板上实现环回尤其困难。“一毫米的传输线完全改变了你的频谱，”Kwan说。“所以你需要非常小心地通过加载板进行环回。”

然而，即使成功，环回测试也是次优的。首先，它没有考虑到完整的包和天线。此外，根据Kwan的说法，黄金设备测试也容易出错。客户更感兴趣的是让仪器进行客观测量，而不是使用相对测量。

“现在，很多客户要么在做环回测试，要么在单独测试天线，”Kwan说。“在未来，他们需要能够在大批量生产中测试完整的AIP模块。”

提高吞吐量
多站点测试是降低成本和提高吞吐量的必要条件。在进行接触测试时，这种测试是直接的。但在对封装的部件进行OTA最终测试时，意味着多个芯片需要同时进行测试，互不干扰。人们已经找到了解决方案，Advantest公司声称有一个有效的八站解决方案。

平行测试也可以跨波段进行。“如果系统能够在不同端口处理多个频率，就可以同时测试sub-GHz和mmWave频率，”Kwan说。每个频段都有自己的前端，因此测试多个频段需要能够同时驱动多个独立的射频信号。

一个波段内的多个频道是不同的。每个信道的宽度为100 MHz，但它们都使用相同的前端。这意味着测试仪可以将不同通道的信号混合到同一个前端，并同时以全双工的方式运行所有通道，这与实际系统中发生的情况类似。

对于波束形成，还可以同时在不同通道上进行独立测试。一个人可以使一个通道向左转，而另一个通道向右。然后由接收方将结果分割到独立的通道进行验证。

芯片上也可能有比射频电路更多的电路。同时，电路板上可能会有数字电路-至少用于控制射频模块。该数字电路可以在与射频相同的插入中进行测试，因此不需要单独的测试人员或插入。

这是可能的，部分原因是，当查看所有类型的测试芯片时，其中一小部分将需要毫米波测试。

“如果你要生产几十个芯片中的一个，需要200毫米波线，而你工厂里运行的所有其他芯片都不到20毫米波线，那么你真的要建立一个专门的测试器来满足所有这些需求吗?还是要尝试找到其他方法来实现它?”克利里问道。“客户想要的是拥有一个具有他们计划测试的大多数芯片所需的核心能力的测试器，然后在探针卡上对该测试器进行扩展，以覆盖整个产品组合。”

在节省测试成本的同时，它会产生更昂贵和更复杂的负载板，这将需要射频开关和上下转换器等组件。

经济学通常要求更少的插入，但情况可能并非总是如此。Pruitt指出:“客户可能会看到的一个权衡是，所有非射频测试都背负着与毫米波测试相关的额外成本。“在一些情况下，我们看到客户将多个插入从射频测试中分离出一些非射频测试(主要是DC和扫描)。”

最后一个大障碍是经济
毫米波测试的许多技术问题已经得到解决。尽管其他问题依然存在，但最大的挑战是成本。特别是对于OTA测试，毫米波测试是一个昂贵的提议，这可能会减缓它的采用。

“测试毫米波频率并不便宜，”Cleary说。“它不适合钱包薄弱的人。”

好消息是，这种发展在很大程度上可以延续到下一代。Kwan指出:“6G可能还需要10年的时间，但他们正在讨论未来可以使用哪些频段。”这些频率似乎只朝着一个方向移动——向上。

但这并不意味着那时不会有更多的工作。洛德说:“他们谈论的是高达200千兆赫的工作频率。“如果达到这些频率，就会变得复杂得多，因为没有单一的连接器可以覆盖这么大的范围。”

为下一代开发经济解决方案，将需要更具创造性的工程。