支持毫米波 (mmWave) 5G 信号的芯片的出现正在带来一系列新的设计和测试挑战。

在较低频率下可以忽略的影响现在很重要。与工作频率低于 6 GHz 的芯片相比，对 RF 芯片进行大批量测试需要更多的自动化测试设备(ATE)。

Ansys研发副总裁 Yorgos Koutsoyannopoulos 表示：“毫米波设计是一件相当古老的事情。“今天的不同之处在于我们尝试在标准 CMOS 上使用这些最佳实践。”

5G 技术上的标准 CMOS 应该转化为高容量——这也是不同的。“毫米波在生产测试中是一种相对较新的现象，” FormFactor射频产品组营销高级总监 Tim Cleary 说。“它开始于几年前的实际数量。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成形等新功能。此外，测试物流必须考虑是通过无线方式测试设备，因为它们将在系统中使用，还是通过接触。实现有效的大容量测试过程需要大量的 RF 和机械专业知识，而这些专业知识供不应求。

Koutsoyannopolous 说：“从组织的角度来看，如今成功的设计团队将两个人才融合到同一个团队中。” “一个人才是使用砷化镓或磷化铟等 III-V 族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。”

毫米波设计并非一切都变得更难。处理和检查，假设 CMOS 技术，保持不变。“我们不会改变我们检测毫米波的方式，” Onto Innovation检测产品营销经理 Ben Meihack 说。“这更多是在包装方面。”

包装内的天线会使包装变得更加复杂。但最引人注目的新挑战是测试。

大批量硅芯片首次将毫米波测试带入 ATE 世界。之前的测试是使用台式设置完成的，无法应对未来所需的数量。这推动了高频 RF 功能的重大发展，可以提供经济生产所需的成本和吞吐量。

在研发实验室，无论成本或努力如何，最重要的是尽可能进行最准确的测量。在表征硅时，高频已经在小批量中测试了多年，但也正在进一步推进。

“在过去一两年中，用于表征 5G 设备的单元硅工艺的常用频率已高达 110 GHz，因为晶体管的建模远远超出了 IC 的工作频率，”RF 部门业务总监 Anthony Lord 表示FormFactor 的开发。“随着我们进入致力于在高达 100 GHz 的毫米波下运行的设备，这现已超过 110 至 220 GHz，甚至 330 GHz。”

但对于生产测试，目标是在高速下进行足够好的测量，保持高吞吐量。这意味着与传统上以较低量完成的权衡非常不同。

“制作人员对他们可以获得的最佳测量结果不感兴趣，”Cleary 说。“相反，他们需要他们可以逃脱的最低限度的准确性。”

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。每个频段都需要一个前端和一个天线阵列。

虽然雷达芯片可能有 1 到 3 条或 4 条线，但5G芯片将有更多的 30 条线。“以 5G 手机可能拥有的数量，他们希望一次测试四到八部，”Cleary 说。“所以现在我们谈论的是超过 200 毫米波线路，而在此之前他们没有测试任何线路。”

并且会有很多毫米波芯片。“5G 毫米波手机将为每个传统的 6 GHz 以下收发器配备 2 到 3 个毫米波设备，”泰瑞达无线部门经理 Stephen Pruitt 指出。

幸运的是，目前，用于 5G 的毫米波实施尚未准备好部署。“在 5G 世界中，它超越了原型，但产量有限，”Marvin Test Solutions 的首席执行官 Steve Sergeant 说。

毫米波频率使设计和测试比 6 GHz 以下的射频测试更加困难。规则在频率高于 26 GHz 时发生变化。虽然此过渡没有硬截止，但频段之间的差距将 6 GHz 牢固地置于过渡之下，而 28 GHz 则牢固地置于过渡之上。

“信号路径损耗和阻抗失配在这些较高频率下会被放大，并且会极大地影响信号保真度，”Pruitt 说。“6 GHz 的接口板在电缆、PCB 和接触器接口之间的总损耗小于 3 到 5 dB，而设计为在 40 GHz 下运行的接口板对于相同的信号链将增加 2 到 4 倍的损耗。”

这对测试设置有影响。“对探头尖端进行精确校准变得更加困难，并且校准漂移更快，”Lord 引用了一个例子说。

让芯片和测试夹具设计更具挑战性的是，信号路径上的每一块金属都必须像片内和片外的传输线一样对待。即使对于激进的工艺节点，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 毫米，这太接近金属长度而无法忽略传输线效应。这会影响设计和测试。

Koutsoyannopoulos 说：“在那些高频下，我们会产生对性能产生重大影响的电磁效应。” “因此，除非您非常仔细地考虑这些影响，否则您无法真正模拟这些设计的性能。”

“不再有寄生元件，”Ansys 应用工程高级总监 Anand Raman 补充道。“一切都是精心设计的组件。其中一些是有源组件，其余是无源组件，而且它们都一直在互相交谈。”

未能验证对线路的所有频率影响可能会导致电流计算不准确。此外，它将连接组件的简单行为变成了复杂的分析。

封装中的天线

在这些尺寸下，天线可以与芯片共同封装——所谓的“封装天线”或“AIP”。偶极天线不能很好地工作，因此在阵列中使用贴片天线进行波束成形。这需要对芯片、天线和封装进行协同设计，以充分理解所有高频效应。

“在毫米波频率下，天线要小得多，数量也多得多，”普鲁伊特说。“这允许芯片和模块制造商在设备包装中包含天线。正是这种封装在寻找和测量到 DUT 的信号时带来了一系列新的挑战。”

图 1：贴片天线阵列

资料来源： 法语维基百科的 Serge Nueffer，由 Bloody-libu 使用 CommonsHelper 转移到 Commons，CC BY-SA 3.0并且可能有很多天线元件。

“您可能有 16 个元件在 28 GHz 下工作，另外 16 个元件在 40 GHz 下工作，”Cleary 指出。

联系或不联系

测试无线技术时要回答的基本问题之一是是否进行无线测试。这归结为接触测试和无线 (OTA) 测试之间的争论，并且观点不同。

接触测试依赖于探针接触焊盘并直接进行测量。它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，损失也低得多。但它不包括成品中的封装和天线效应。

“在研发领域，对于高度准确的依赖建模和表征，除了真正的接触之外，你不会得到任何好处，”Lord 说。

对于晶圆分类，接触测试意味着接触焊盘，这是迄今为止晶圆级的主要方法。没有实际的方法来连接天线，也没有需要担心的封装，所以这是在晶圆分离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，接触测试意味着接触封装的球。天线下方通常有球——仅用于测试——以允许对芯片本身进行接触测试。但这遗漏了重要的行为。

资料来源：Bryon Moyer/半导体工程。

球与内部贴片天线元件的接触通常提供给外部，如简化形式所示。接触测试可以通过访问球来进行；OTA 测试可以使用封装外的接收器贴片天线进行。这些球没有任何操作目的——它们只用于测试访问。

对于封装部件，OTA 测试可以更真实地了解设备在真实系统中的表现。“对于模块测试，挑战在于如何在不接触设备的情况下测量设备，”Pruitt 说。“使用导电材料与天线的任何接触都会改变其特性阻抗并影响性能。在这种情况下，辐射测试是测试这些设备的唯一方法。”

但OTA测试难度大，目前实现成本高。损失要高得多，必须加以应对，因此有些人认为接触测试更好。但其他人要求 OTA 测试仅仅是因为它更完整。

让芯片通过多个天线发射信号以获取结果并在测试仪中进行分析带来了仍在解决的机械和现场挑战。已发现有效的解决方案实施起来很昂贵——尤其是对于大批量。

OTA 测试的主要挑战之一与天线距离发射器的距离有关。场在所谓的近场和远场中的作用不同。在实际使用中，接收天线会很好地进入远场，所以这是最现实的测试方式。

远场测试很困难。Advantest业务开发经理 Adrian Kwan 表示：“远场测试总是存在挑战，尤其是在低频范围 [低于 6 Hz] 时，您需要远距离测试。但即使使用毫米波频率，远场测试也需要 90 毫米远的天线。

这对于生产测试人员来说仍然不切实际。“在 ATE 领域，很难为大批量多站点生产部署远场，”Kwan 说。

根据 Kwan 的说法，有希望的是已经建立了进行近场测量并将它们与远场等效项相关联的方法。这可以将间距降低到 9 毫米以下。

然而，批量执行所有这些操作涉及测试基础设施的每一部分。“就干扰而言，机械插座设计提出了很多挑战，”关说。

他们设计了一个可以处理这两种测试的插座。“它与普通插座非常相似，只是它内置了贴片天线，”他说。“它可以测试封装球上的所有数字和 DC 内容，但它也可以使用贴片天线进行 OTA。”

在近场安装贴片天线的另一种方法是进行自辐射。Pruitt 说：“在这种情况下，插座充当反射器，并且设备天线有效地环回自身。” “虽然这允许更简单的测试仪配置，但它禁止传输压缩、EIRP 和接收灵敏度等关键测试。”

处理波束成形和回送

波束成形利用天线阵列元件的相位差将波束导向特定方向，这给测试程序带来了挑战。波束成形可实现更高效的能源使用，因为给定 5G 用户的信号直接针对用户，而不是向所有方向广播，这就是我们今天所拥有的。大部分广播信号能量都被浪费了。

资料来源：Bryon Moyer/半导体工程

上半部分显示了当今的典型情况，其中大部分信号都被浪费了。波束成形仅将能量集中在所需的目标上，如底部所示，现在可以节省剩余的浪费的能量。

“快速波束控制是这些设备的基本特性，它是通过在设备寄存器中存储预定义状态来实现的，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，”营销总监 Joe Semancik 说在马文测试解决方案。

但是这种能力需要测试。“虽然我们仍然在这些毫米波设备中看到传统的无线电测试（即增益、相位噪声、调制质量等），但包含波束成形器需要 ATE 测试不同天线元件连接上的绝对和相对相位/增益等内容，”普鲁伊特说。“能够校准 ATE 硬件的相位和幅度并为 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，这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，这是通过接触天线下方的球来完成的。

对于 OTA 测试，需要多个接收器天线贴片。一个可以用作参考，然后其他相对于第一个进行测量。然后可以从 0° 到 180° 的相位差进行测试。

OTA 测试的另一种选择是环回，这是任何收发器设计都熟悉的概念。它需要一个收发器，传输信号，然后将其路由回同一收发器内的接收器。对于较低频率，使用电线或开关连接很容易，但在毫米波频率下则要困难得多。

内部环回测试的一个好处是绕过机械测试设置。“没有环境考虑。没有测试人员的影响，”关解释说。“所以这与黄金设备测试一样好，一个好的收发器传输信号，然后同一个收发器测量它。”

资料来源：Bryon Moyer/半导体工程

在操作过程中，发射器 (TX) 向天线发送信号，接收器 (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器。

然而，在这些频率上环回并不容易。“没有多少无晶圆收发器厂商能够部署环回，”Kwan 说。以及那些可以将这些电路视为关键 IP 的公司。

在 DUT 板上实现环回特别困难。“一毫米的传输线完全改变了你的频谱，”关说。“所以你需要非常小心地通过负载板进行环回。”

然而，即使成功，环回测试也是次优的。一方面，它没有考虑完整的包装和天线。此外，Kwan 表示，黄金设备测试容易出错。客户对让仪器进行客观测量而不是使用相对测量更感兴趣。

“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。“未来，他们将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备条件。在进行接触测试时，此类测试很简单。但是在对一个封装好的部分做OTA最终测试时，就意味着需要多颗芯片同时进行测试，互不干扰。已经为此找到了解决方案，Advantest 声称有一个有效的八站点解决方案。

跨频带的并行测试也可能是可能的。“如果系统能够在不同端口处理多个频率，您可以同时测试 sub-GHz 和毫米波频率，”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。

一个频段内的多个频道则不同。每个通道的宽度为 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，并以全双工同时运行所有通道，这类似于真实系统中会发生的情况。

对于波束成形，还可以同时在不同通道上进行独立测试。可以驱动一个通道向左发射，而另一个通道向右发射。然后由接收器将结果分成独立的通道进行验证。

芯片上也可能有更多的射频电路。可能同时板载数字电路——至少用于控制 RF 模块。该数字电路可以在与 RF 相同的插入中进行测试，因此不需要单独的测试仪或插入。

这是可能的，部分原因是当查看所有正在测试的所有类型的芯片时，其中一小部分将需要毫米波测试。

“如果您要使用需要 200 毫米波线路的数十个芯片中的一个，而您工厂中运行的所有其他芯片都只需要 20 个，那么您真的要构建一个专用的芯片吗？有能力处理所有这些事情的测试人员，还是你会尝试找出其他方法来做到这一点？” 克利里问道。“客户想要的是拥有一个测试仪，它具有他们计划测试的大多数芯片所需的核心功能，然后将该测试仪的扩展放在探针卡上以覆盖整个产品组合。”

在节省测试仪成本的同时，它会制造更昂贵和更复杂的负载板，这将需要 RF 开关和上下变频器等组件。

经济学通常要求更少的插入，但情况并非总是如此。“客户可能会看到的一个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，”普鲁伊特指出。“在一些案例中，我们看到客户通过多次插入将一些非 RF 测试（主要是 DC 和扫描）与 RF 测试分开。”

最后一个大障碍：经济性

毫米波测试已经解决了许多技术问题。虽然其他问题依然存在，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，这可能会减缓其采用。

“测试毫米波频率并不便宜，”Cleary 说。“这不适合钱包薄弱的人。”

好消息是，这种发展的大部分可以为下一代发扬光大。“6G 可能还有十年的时间，但他们正在讨论未来可以使用哪些频段，”Kwan 指出。这些频率似乎只向一个方向移动——向上。

但这并不意味着那时不会有更多的工作。“他们谈论的工作频率高达 200 GHz，”Lord 说。“如果你达到这些频率，它会变得更加复杂，因为没有单一的连接器可以覆盖这么大的范围。”

需要更多的创造性工程来为下一代开发经济解决方案。