迎接5G RF生产测试业务的挑战

4月19日,2021年bob软件半导体的故事通过Vineet Pancholi
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5G射频(RF)标准的实施正在迅速提高[1]。在过去的4到6个季度里,人们越来越关注已被引入市场的出版物和产品。一些更流行的射频生态系统应用包括手机、WiFi、汽车、物联网(IoT)、位置服务等。WiFi和手机服务是数据密集型的,而物联网在某些情况下可能需要的数据量有限。

基于4G移动网络的单位音量指标,实现图1和总可寻址市场(TAM)与5G标准定义的置信水平似乎很高。

图1:预计5G产品将强劲增长。资料来源:物联网商业新闻

有很多类似的地块,从全球地理区域开发产品到5G规格,有大量的图。预计较高的5G射频单元体积将导致测试较高的单位体积。预计基础设施的开发和部署预计将在用户设备介绍之前。如图2所示,典型的手机应用包括具有手机塔的基站,每个基站支持覆盖区域中的多个用户的手机。

图2:双向射频通信框图的主要组成部分包括应用处理器(AP)、基带集成电路(IC)和射频集成电路(RFIC)。

由于基站有一个覆盖区域来支持多个用户设备,相对于用户设备,射频功率要求更高。基站由插入式电源供电,而用户设备被设计为高效电源,因为它们是移动和电池供电的。由于在一个典型的手机上下载的数据的数量级比上传的数据要高几个数量级,接收通道的数量通常大于发送通道的数量。协议层采用多输入多输出(MIMO)、载波聚合(CA)[1]等概念,提高有效带宽。接收信道采用分集[1]来提高空间性能。尽管这些概念不是本文的直接重点,但是产品架构和设计确实对测试需求和测试方法有影响。基于WiFi技术的应用通常在家庭或办公室中。它们的最大射频功率是有限的,但动态范围是有限的,而且它们的带宽通常比手机高。

最近推出的5G 3GPP标准[1],在两个单独的载波频谱中识别载波频率。如图3所示,FR1的载波频率为410 MHz ~ 7.125 GHz, FR2的载波频率为24 GHz ~ 52 GHz。允许带宽超过100 MHz至2 GHz。子载波间距是紧致的,因此需要更严格的约束相位噪声和增益平坦性。

图3:5G载波频率定义在3GPP规范[1]中。

5G新无线电(NR)调制方案

有两种5G NR信号调制方案-循环前缀正交频分复用(CP-OFDM)和离散傅里叶变换扩频正交频分复用(DFT-S-OFDM)[1](图4)。

图4:256正交调幅(256- qam) 5G NR星座图由Advantest V93K捕获。

CP-OFDM用于下行(D/L),具有正交相移键控(QPSK), 16-QAM, 64-QAM和256-QAM。它具有很高的频谱效率,并与MIMO和4G LTE定义兼容。DFT-S-OFDM用于上行链路(U/L),具有π/2-二进制相移键控(BPSK)、16-QAM、64-QAM和256-QAM。与CP-OFDM相比,它的实现更复杂,资源分配更不灵活,而且不能与MIMO结合使用。5G NR的5个副载波间隔在15 kHz至240 kHz之间。图4显示了一个256-QAM图。

5G射频产品和RFIO

现代直接和外差转换器架构[2]具有数字基带I / O.数字基带将数据馈送到数字到模拟转换器(DAC),该转换器(DAC)创建模拟同步和正交(I / Q)波形。当与本地振荡器(LO)信号混合时,这些波形,上转换数据以产生被发送到接收器(Rx)的调制中频(IF)或RF信号。信号传输在同轴屏蔽电缆上或空气中发生。在传输之前,特别是当它在空中时,信号可能需要信号放大。而且,接收器可以在为下转换提供信号之前要求接收的信号放大。下转换信号被馈送到模数转换器(ADC),该模数转换器(ADC)将信号转换为数字基带进行数字基带以便由应用处理器处理。图5显示了这些步骤。

图5:简化发射机(Tx)和Rx RF链块。

集成设备制造商(IDM)客户为组装和测试服务带来各种RF产品。这包括,并且不限于收发器,低噪声放大器(LNA),功率放大器(PA),数字步衰减器(DSA),滤波器和混频器。根据目标应用程序,RF输入和输出通道的数量可能是不同的。带宽,相位噪声,互调失真(IMD),相位和幅度分辨率/精度以及其他测试要求也可能变化。

用于生产测试的测试设备(DUT)发射器特性规范包括传输功率和RF频谱排放(占用带宽,带宽,带宽排放,相邻信道泄漏比(ACLR)和IMD)。DUTS接收器的生产测试特性规范包括接收灵敏度,最大输入电平,相邻信道选择性,阻塞,虚假响应和IMD [1]。

自动化测试设备(ATE)测试仪和工具与5G射频子系统

最近,Advantest、Teradyne、National Instruments和Cohu都发布了一份针对其成熟ATE产品的升级计划。安科尔利用ATE的射频子系统硬件和软件仪器基础设施在生产工厂测试客户产品。

ATE厂商通常为客户测试应用程序开发构建一个通用的仪器资源超集配置。任意波形发生器(awg)、数字化器(dgt)、LOs、滤波器、放大器、音调组合器、发射信号分配器、接收信号开关的数量及其宽频带和动态操作范围都是每个客户在每一个新的5G射频应用中必须考虑的权衡因素。来自仪器设计的特定频率和振幅的相位噪声对误差矢量幅度(EVM)测试有直接影响。相位噪声-110 dBc/Hz在偏移100 kHz和-10 dB或更好是可接受的(典型)在5G范围的连续波(CW)频率。在典型的宽带客户产品应用中,需要切换频率和幅度。切换时间会影响整个测试列表的执行时间。具有最小切换时间的测试人员在生产测试中效率最高。图6显示了ATE框图。

图6:一个简化的ATE方框图。

定制工具(探针卡和/或加载板)必须开发,以帮助路由测试资源到设备,引脚,或凸点。对于晶圆探针服务,探针卡供应商提供探针针技术。对于50 GHz以上的5G射频载波频率,挑战包括阻抗匹配、引脚对引脚和站点对站点信号隔离。对于封装部件,负载板、插座和插座销技术供应商提供销技术。对于5G射频载波频率,挑战类似于探头引脚所描述的挑战。在这些频率下,插入损耗(s -参数S21)的可接受水平通常不超过-10 dB,而在频率范围内的回波损耗(S11)通常优于-10 dB。在该频率范围内,典型应用的引脚对引脚隔离的可接受级别优于-45 dB。

供应商保证测试头信号传递接口的射频性能和精度规格。测试仪供应商开发和交付校准系统(硬件和软件),以校准,验证和诊断性能文件规格。射频仪器的精度规格对温度波动很敏感。在大多数情况下,±5°C(或更小)的温度变化会触发仪器的自校准程序。电源、信号(数字、模拟/RF)和时钟需要将校准平面从测试头移动到设备引脚。该路径包括探测卡或加载板上的痕迹。我们有一个独特的优点,无论是采用去嵌入技术,还是使用环回或定制开发的短,开放,负载,通过(SOLT)结构,以帮助交付所需的射频信号精度到被测设备。在大多数情况下,为校准开发定制标准需要额外的努力,然而,对于内部封装设计,这条大道是存在的。在大多数情况下,黄金环回DUT技术已经足够实现所需的准确性。

集成测试连接

我们的组装和测试部门紧密合作,以实现5G RF工程开发和生产测试。其好处是在同一工厂提供一个完整的组装和测试交钥匙解决方案。提供封装天线和封装天线(AiP/AoP) SIP的5G封装由安kor于2018年7月首次生产,并于2019年在一份公开新闻稿中宣布[3]。

随着最近组装和封装技术的进步,射频芯片,如5G收发器和射频前端(RFFE)设备,可能会在封装中嵌入天线。类似地,System in Package (SiP)设备在集成电路封装[4]中集成了相关组件,如处理器、内存、RFIC外设、功率放大器、低噪声放大器、相阵列和天线结构等分立组件。天线是前端的关键部件,需要为特定的操作频带进行调谐。根据3GPP规范[1]的定义,目前正在设计的符合5G NR FR2标准的客户产品在特定操作频带内进行了性能调整。数据密集型应用程序可以保证在封装中封装多个无线电,因此需要在每个操作频带上调谐多个天线。

所有前几代和现在的射频器件的生产测试都是导电的。从被测设备到被测设备的RF I/O通过电缆和屏蔽印刷电路板(PCB)微痕迹通过阻抗控制路径电连接到测试仪的RF仪器。如上所述,所有开发5G射频测试解决方案的ATE供应商都包括导电射频同轴互连。为了使用嵌入式天线实现封装的大批量生产测试,该测试方法需要一个互连,能够在最小且可控的信号损耗下发射或接收射频能量。天线传输理论[7],要求发射机和接收机之间的空间间隔最小。这种分离取决于载波频率。RF I/O通道的数量和多站点测试要求增加了生产测试的复杂性。目前正在探索的测试选项包括贴片和喇叭天线、波束形成集成电路(BFICs)、嵌入式定向耦合器和波导。这些解决方案都不适合大批量生产,也不能随着天线数量的增加而扩展。这主要是由于测试器接口的处理程序中的物理空间需求。

IDMS一直在架构设计结构,允许卓越(DFX)模式的Loopback设计,以帮助简化和生产经济的生产测试设备要求。虽然嵌入在包内的天线提供增加的小型化和整体集成,但它确实带走了用于载波频率的新5G NR操作带的应用程序的最终性能调整的灵活性。该公司继续与供应商和客户合作,解决生产测试的超空气(OTA)测试挑战。

增值的命题

在高层次上,有两个主要的生产测试操作模型。第一种是让客户完全控制测试内容,包括交付选定的5G RF测试设备,并使用安kor执行生产运行。第二次测试运行模式具有客户要求的工程服务,以实现生产测试。在这种情况下,我们的测试开发团队与客户密切合作,并满足每个客户的测试开发工程(TDE)需求的定制需求。增值TDE服务的例子包括但不限于:

  • 选择匹配的启用5G的测试人员,
  • 选择匹配的探针和/或处理程序,
  • 设计匹配的5G测试工具(探针卡、加载板),以实现适当的测试人员资源分配,特别是多站点生产测试,
  • 根据客户的功能测试规范,开发和调试生产测试程序、测试模式和测试波形;
  • 产品资格,
  • 产品特性测试程序,
  • 良率优化,低良率失效分析,产品设计反馈。(例如,失效分析可能需要x射线或脱层来确定制造和组装包装缺陷的根本原因。)
  • 自定义后端流动,也可以高效地处理成品。

RF测试开发工程团队在为前几代和现在的RF技术开发测试解决方案和测试内容方面拥有丰富的经验,并继续以这些专业知识为基础,解决本文所述的5G测试挑战。该集团积极致力于为FR1和FR2射频频段的基站和移动5G射频产品创建和提出测试解决方案。这些测试解决方案利用上述符合3GPP标准的ATE硬件和软件测试工具。

多年来,内部生产测试流程已经成熟,允许在5G RF生产测试中实施面向制造的设计(DFM)规则。收集、分析和保留5G RF生产测试的制造测试结果对于不断改进测试方法、流程和内容至关重要。在特定情况下,测试工程师会向IC设计和制造工艺工程师提供有价值的反馈。为跨测试设备群的多站点的5G RF测试结果建立统计仓限(SBL),可以帮助识别与系统设备相关的错误故障,并帮助消除这些因素。这确保了最佳的测试设备利用率,并提高了整体生产能力。

客户的一部分优惠都有具有临时上市时间(TTM)目标的产品,对知识产权(IP)污染和安全性敏感。成熟的系统和流程到位,以处理所有这些客户的担忧。

AMKOR生产测试一直在准备测试未来几年预计的大量5G产品。这包括预期用户设备(移动设备)增长的5G基站和基础设施设备。

总结

5G RF生产测试业务的规模很大,迅速增长。我们的生产测试团队一直与装配包装,ATE供应商和客户密切合作,以确保整体5G RF生产测试服务可满足并超越所有测试能力和能力挑战。

参考文献

  1. 3 gppTs 38.101-1 v16.1.0(2019-09)。
  2. 宽带射频架构选项 - Peter Delos,模拟设备
  3. amkor设备包
  4. 天线封装/天线封装
  5. 安kor天线在包装-文章
  6. 安kor软件包-新闻稿2019
  7. 菲涅耳远场区域天线理论

关于作者

Vineet Pancholi,于2019年1月加入Amkor公司,目前领导5G RF和高速数字bob体彩生产测试方法的测试技术开发。在加入安科尔之前,维尼特曾在Microchip Technology从事测试开发工作。在此之前,他在Intel工作了19年,担任各种测试角色,包括测试供应商管理、测试技术开发(老化、最终和系统级测试)和RF测试架构师。Vineet拥有半导体器件测试专利,并获得亚利桑那bob软件州立大学物理和电子工程硕士学位。