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5G部署紧锣密鼓,生产测试已就绪?

时间:2019-06-11 作者:赵明灿 阅读:
我国5G牌照发放,标志着我国正式进入5G商用元年。然而,5G频段分为6GHz以下(FR1)和毫米波(FR2)两个部分。毫米波标准目前尚未最终确定,这部分才是5G的最终方向。我们的生产测试系统是否已准备好?

上周五,我国5G牌照发放,标志着我国正式进入5G商用元年。然而,5G频段分为6GHz以下(FR1)和毫米波(FR2)两个部分。毫米波标准目前尚未最终确定,这部分才是5G的最终方向。我们的生产测试系统是否已准备好?

日前,在美国国家仪器(NI)举办的NIWeek 2019大会上,5G毫米波测试成为一个重头戏。NI及其合作伙伴展出了各种5G毫米波测试系统。NI公司的负责人告诉记者,虽然中国短期内是使用6GHz以下而没有使用毫米波频段,但是从中国的人口密度看,走向毫米波是必然。

那么,5G毫米波生产测试系统当中包含哪些关键技术?下面,EDN就带大家去NIWeek大会上看一看。

5G毫米波晶圆探针测试解决方案

首先,我们来看最重点的,NI与东京电子、FormFactor和Reid-Ashman三家公司合作开发的5G毫米波晶圆探针测试解决方案。

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据了解,该解决方案可解决与5G毫米波晶圆探针测试相关的技术挑战,有助于半导体制造商降低5G毫米波IC的风险、成本和上市所需的时间。毫米波频率的新特性正在挑战传统探针技术的信号完整性,传统探针技术包括探针接口板(PIB)、探针塔和探针板。NI、TEL、FormFactor和Reid-Ashman合作推出了一种直接对接的探针解决方案,它简化了信号路径,改善了毫米波应用所必需的信号完整性,并且支持顶部和底部负载探针应用。

该解决方案的一个关键部分是NI的半导体测试系统(STS),该系统最近为5G功率放大器、波束成形器和收发器增加了多站点毫米波测试功能。该解决方案的一个主要优点是模块化,允许复用软件以及带混合搭配毫米波无线电头的基带/IF仪器,以解决当前和未来所关注的毫米波频带。 

现场的工作人员告诉记者,毫米波晶圆是采用接触式测试,对环境和校准的要求很高。而对于6GHz以下的测试,则没有必要这样做。

首先,一般的晶圆测试仪有可能把晶圆给戳坏,所以这套系统采用的是电动式,并且接触要做得非常精准。其次,它上面的探针其实不是针,而是个软贴片,这样可以使晶圆测试好很多。

这套系统在毫米波测试方面非常有优势。传统的测试系统是用线缆拉出进行测试,而ATE设备则相对领先。

这套系统用到四家公司的元素分别是:

· 采用NI STS进行5G毫米波测试,支持直接对接探针

· 采用TEL Precio XL自动晶圆探针,针对并行芯片测试进行了优化,具有高度精确的x、y和z轴控制能力,有可靠的接触灵敏度

· 采用FormFactor Pyramid-MW探针板,可在生产测试环境中实现卓越的射频信号完整性和更长的接触器寿命

· 采用Reid-Ashman OM1700通用机械手,通过电动运动可实现高效而可重复的对接,而不会影响产品安全性

同时,这个STS当中又集成了NI的毫米波矢量信号收发仪(VST)。该设备用于解决5G毫米波RFIC收发仪和功率放大器带来的测试挑战。

该毫米波VST结合了射频信号发生器、射频信号分析仪和集成开关,频率高达44GHz的1GHz瞬时带宽。除了实验室中现有的基于PXI的表征系统外,该仪器本身可以集成到NI半导体测试系统(STS)中,从而在大批量制造应用中进行部署。选择基于模块化PXI平台的测试仪可帮助采用STS的工程师将新的测量功能(如5G)快速集成到测试单元中,从而提高成本效益并降低推迟上市时间带来的风险。

NI半导体营销主管David Hall在接收采访时也告诉记者,这个5G毫米波晶圆探针测试系统的测试头中放有4个PXI机箱槽,在这4个机箱槽里各放有一个VST。今年的VST新增了对毫米波的支持,从而可以完成对毫米波晶圆的测试。

在对接的过程中,探针的长短也是有优缺。由于毫米波的衰减和反射特性,当探针比较长时,信号衰减和反射比较大,电性能就较差。但探针比较长时,所具有的弹性较大,对于测试的机械物理性又会较好。

同时,他指出,以目前3GPP的R15和R16规格来说,其对于物理层已经大致拟定。细小的差异在于在载波聚合时频段的拼接上。这对于测试仪器来说不会有什么改变,因为测试仪所支持的带宽都已经定下。

虽然3GPP也有可能采用新的频带,但NI在设计系统的时候就已经考虑了提供足够的灵活性。在未来如果有新的变化时,只需要把测试头换掉,就可以提供支持。

毫米波才能满足多用户连接不掉速的要求

众所周知,5G的发展方向主要有三块:eMBB、mMTC、uRLLC。V2X以及物联网应用主要是后两者,而短期来看,5G采用毫米波则主要是在eMBB上,即要求更大的带宽,让数据传输速率更高。

目前5G在6GHz以下也采用了一些新频段(在3GHz到4GHz之间),主要是稍微疏解目前频带过于拥挤的情况。但是在未来大都市的情境下则会转到毫米波的应用上,因为从目前的数据量来看,现在的网络无法提供支持,Hall表示。

他指出,除北美以外,目前在日本、韩国、瑞士等地都有计划采用毫米波频段,因为其特别适用于大都会的环境下。在北美,最主要的驱动力来自纽约和洛杉矶等大城市,它们会优先从毫米波开始。而在日本、韩国等亚洲国家,人口密度比北美都要更高,在这方面的需求后续也会增长更快。“人口密度较小时,用6GHz以下频段可能也能达到Gbps的速度,但是人口密度大了就支撑不了。”他补充说。

“在中国,短期来看没有使用毫米波而是使用6GHz以下频段,但是他们也是将毫米波(3GPP中的n77)纳入到了中短期的采用上。”他指出,“其他国家看上去部署比较慢,其实并不是在技术上落后,而是5G所使用的毫米波频段目前是用在卫星上,因此政府需要一些时间来回收这些频带来给未来的5G使用。”

另外,他谈到,5G上有两个重要部分会用到空口测试。“第一个是在实验室里做波束成形验证的时候,要看波束是否会打到想要的方向,就要在暗室中测量角度和精度等。在今年的NIWeek上,也有我们和珠海博杰这家做暗室的厂商合作。今年我们也将寻找更多做这方面的最终客户。第二个是在量产上,有个趋势是有人开始在半导体测试机的载板上做一个小的暗室。”

另外几个毫米波/晶圆测试方案demo

4 site 5G毫米波封装测试解决方案

下面是用NI、Tessolve和Johnstech合作推出的4 site 5G毫米波封装测试解决方案测试28GHz、100MHz带宽的功放。这个解决方案可以同时对4个site进行并行测试,覆盖PA所需的测试项,如功率、P1dB、EVM等。5G手机若使用的是毫米波芯片,其功放就需要进行这样的测试。这样的功放以后会用在手机或小基站内。

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这样一台测试仪器可以实现4个site的并行测试,产量可以得到大幅提升。其中就用到了毫米波VST,可以进行28GHz频率的测试。

这种测试板设计由于是高频的毫米波,可能碰到阻抗匹配和校准等很多问题,因此客户在进行这种测试时,需要选择有经验的设计厂商。

光学晶圆级测试平台

下面是NI和Coherent Solutions合作推出的光学晶圆级测试平台,包含了光相关的测试模块,比如功率计、衰减器、开关以及光的频谱分析仪等。

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它还可以用来测试硅光子器件。以前都是分立器件,现在变成IC。由于封装很贵,晶圆级测试变得越来越重要,这样可以节省成本。这个方案可以实现自动化测试。

9GHz PXI矢量网络分析仪

再就是Copper Mountain和NI合作推出的9GHz PXI矢量网络分析仪(VNA)。这家公司以前是做USB VNA,现在和NI合作转到了PXI平台上。这台仪器可以对未来6GHz以下的5G或WiFi做PA、LNA或滤波器等元器件测试,例如S参数等测量。

量产测试时需要VNA与其他仪器做同步。转移到PXI平台上就可以带来方便。

另外,对于21GHz以下的中频测试可以直接用VST里的测试头来做,而对于28GHz等5G所用毫米波频段则可以通过外接毫米波头来做,这就是模块化的优势。

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PA测试装置

下面是AMCAD Engineering基于NI硬件开发的PA测试装置。

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400Gbps光分析仪

下面是MultiLane和NI、Coherent推出的400Gbps光分析仪。它可以分出4条100Gbps线来测量光的频谱。测量眼图(光调制)需要使用大带宽的分析仪,而MultiLane公司就提供这样的PXI测试模块。

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它需要用到电源、激光源、功率计、OSA、O2E和示波器,以及BERT等。电信号有数字、DC,甚至光和RF都可以用这个方案测量。

5G的传输量越来越大,数据中心需要400Gbps的大带宽、短距离光纤传输解决方案。

蔚华与NI合作,负责半导体测试系统在大中华区的分销

另外,在本届NIWeek上,蔚华科技(Spirox)也正式宣布了和NI的合作。蔚华科技未来将负责NI在大中华区的半导体测试系统分销,并搭配蔚华科技现有的分类机、针测机、探针卡等产品,为客户提供更多元的半导体测试解决方案及服务。

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蔚华科技中国区总经理陈志德与NI半导体营销主管David Hall

蔚华科技中国区总经理陈志德在接受采访时表示,一直以来,NI都专注于半导体量产测试,特别是对中国增长的部分,希望增加对客户的服务。不管是在能力还是所服务的客户群量级上,蔚华在这方面都有非常好的根基,因此就展开了合作。

蔚华做测试机有32年,在中国做测试机也有20年。事实上,蔚华与NI在2年前就在PXI测试方案上进行了合作,现在只是正式提出。蔚华在射频测试上的经验,在中国大陆和台湾获得的客户评价都非常高。蔚华也认为NI的RF技术在国际领先。因此蔚华和NI的合作是强强联合。

从策略上来讲,未来中国大陆在5G或毫米波设备上将迎来爆发点。NI在这方面有很多完整的解决方案。再通过蔚华对客户的支持及对产业链的了解,就可以把NI在中国大陆和台湾有关5G毫米波的业务带到下一个增长点。

另外,Hall表示,蔚华所覆盖的测试业务非常广泛,包含CMOS图像传感器、存储器、MEMS、MCU、光传感器等各种测试。NI与蔚华的合作只是初期先以RF开始。后续也会探索在SoC、ASIC上合作的可能性。

“蔚华选择RF为起点,是因为这是NI很大的一个业务,也是非常具有潜力的一个市场,包含了5G和6GHz WiFi,以及IoT,甚至汽车雷达相关。未来我们也会寻求在MEMS、传感等方面合作。”他指出。

陈志德补充说,蔚华手上已经有好几个案子在和NI共同开发。通过这些开发,蔚华可以很快把NI的平台熟悉,进而做到无缝接轨。这包括两个部分:从设计公司来讲,它们都是蔚华原有客户,和蔚华合作很久,因此可以很快把项目接下来;在工厂端,蔚华过去的装机量非常大,后续只是要换一个不同的产品,这在接轨上会非常快。

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赵明灿
赵明灿是EDN China的产业分析师/技术编辑。他在电子行业拥有10多年的从业经验。在加入ASPENCORE之前,他曾在电源和智能电表等领域担任过4年的工程师。
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