開發5G技術的公司正在競相開發5G應用的晶片組；為了設定部署標準並成為領導者。儘管5G的初始標準是在2017年底制定的，並且對5G的應用有一些想法（圖1），但仍不清楚如何將它們完美地融合在一起。這種不確定性要求產業界實現前所未有的協作和夥伴關係水平。本文探討了5G器件的測試方法的挑戰和變化，並展示了與英特爾合作研究的成果。
與當前部署的4G標準相比，5G帶來了三項技術改進或者增強：
1. 更高的可用帶寬，數據流量從當今每台設備的不到1.5GB增長到每月每個連接4GB以。
2. 較低的延遲，關鍵應用場景對時延會更加敏感。
3. 最多可以將100萬個設備（例如傳感器和智能設備，每平方公里）連接到網絡中。
滿足5G這些要求的一些終極解決方案包括：
• 開放毫米波（mmW）頻率：〜30GHz及以上；
• 移動站點數量的增加以允許更多設備接入；
• 部署邊緣雲節點，以便數據不必總是需要返回到中央節點。
由於所有這些更改，將需要升級整個網絡基礎設施。在5G之前，升級主要是圍繞前幾代從模擬到數字的轉變，例如以及改進調製技術。「因此，由於技術的擴展，與以前的基礎設施升級相比，5G的規模要比過去大得多「。正如Scott Fulton指出的那樣，「 5G是整個星球規模的一項資本改進項目，用另一種旨在降低能耗和維護成本的無線架構來代替本世紀創建的一種無線架構」。
為了提供這種變化所需的晶片，在晶片測試中，將有大量來自為適應這些架構要求所帶來的新變化。
毫米波測試的歷史
從歷史上看，晶圓的毫米波測試僅限於實驗室和小批量生產，用於國防，航空航天以及其他奇特的應用。這是因為毫米電波傳輸的覆蓋範圍低，使用IC生成RF信號的成本過高，以及過去所需的數據速率低。因此，由於手機是使用大多數RF IC的設備，因此晶圓大批量生產（HVM）的生產工廠的最高頻率最高為6GHz。
但是，由於汽車雷達和高速數字零件要求在更高的頻率下獲得更高的性能：要麼可以更精確地解析附近的車輛或障礙物，要麼可以在數據中心和通過光纖連接傳輸更多的數據，因此毫米波測試已經進入了批量生產階段，汽車晶片測試中確定的一些挑戰包括：
1. 功率精度；
2. 維護測試設備的射頻校準（以及最終的射頻信號路徑）；
3. 在這些較高的頻率上設置適當的測試極限；
4. 毫米波上的「任何東西」都更加昂貴；
5. 測試工程師對mmW（毫米波）測試不熟悉。
遵循汽車雷達應用的發展軌跡，5G將推動半導體測試技術的發展，並將因其面臨的更多挑戰，包括更多的通道數和良好的信號完整性要求而需要擴大其測試範圍。本文提供了製造商（尤其是測試工程師）需要了解的有關5G中使用的mmW晶圓的測試變化的信息。它回顧了在HVM中支持從26GHz一直到67GHz範圍內的晶片測試所需的一些更改，並將討論探針卡技術的進展，這些技術可實現多站點生產級測試。
即將針對5G開發的測試協議將需要以最小的串擾處理多個測試站點的校準和測試，以及由於波束成形用相控陣天線而需要處理大量RF通道。本質上，需要針對有限數量的可用測試儀器通道的多站點生產測試專門設計測試方案。簡而言之，這些組件的生產測試將會變得更加昂貴，成本很容易增加2倍（甚至更多）。
5G生產級測試的新挑戰
與過去30-40年間的情況相比，5G的出現改變了RF生產的格局。我們在下面探討主要要求。
每台設備具有較高的頻率，會有更多通道。影響測試單元的第一個重大變化是運行速度：需要高達近70GHz頻段的新型高速信道。傳統的HVM晶圓測試儀具有高達6GHz的能力，涵蓋了4G使用的所有頻段。此外，這些測試儀器可以通過定製擴展到更高的頻率範圍。正在開發的5G基站設備將在每個被測設備（DUT）中包括多達64個RF通道。這意味著由於頻率限制，傳統測試儀不是最佳解決方案。半導體晶圓製造商正在要求新的測試設備提供比當前已有測試設備具有更多容量的信道。儘管這是一種可能的解決方案，但也應注意，開發的任何測試儀都不能太昂貴，因為生產測試將在經濟上不可行。增加更高頻率同時具有大量通道數可能會使測試儀成本增加10倍以上。
增加並行處理能力。增加的並行性還導致需要執行多站點RF測試。當前，移動射頻片上系統（SoC）在x4多站點晶圓測試中進行了測試，並且希望儘可能地進行x8完全並行測試。在5G設備生產測試時仍然如此。但是，x8並行性使當今許多正在開發的設備的總通道數增加到超過256個RF通道。可以連接到如此數量的RF通道的製造測試儀是不可行的，這有兩個原因：1）成本，以及2）測試台內的空間限制。在不增加測試儀中通道數的情況下，有其他方法可以增加可以測試的總通道數。這些方法包括使用balun，功率合成器，開關以及環回測試等。對5G組件的最後要求是在測試單元中進行精確的RF測試，因此需要驗證的信號準確性；這不僅是為了驗證RF性能，而且是為了防止不良器件流出。由於目前大多數能夠支持RF的先進封裝技術都非常昂貴，因此要求晶圓的成品率超過95％，如果不進行晶圓RF測試只進行最後的封裝測試，則在經濟上是可行。
但是，5G中的高速信號意味著它對工藝變化更敏感，尤其是在技術開發的初始階段。這意味著一段時間內良率將大大低於95％，因此無法去除晶圓級RF測試。
為了支持高信號完整性要求，例如電阻，測量誤差（例如阻抗不匹配，電纜損耗以及RF源隨著時間的變化），這些因素在較低的頻率下可能被認為是重要的，但是對於毫米波而言就可能變得很重要了。在多DUT測試期間使用同時進行的多站點校準可提供最高的電氣精度，因為所有DUT RF通道均處於已知且受控的狀態。
RF校準用於將測量參考平面從為了獲得最佳的設備測量結果並消除測試夾具的影響，然後再對器件進行測試。這是通過在校準基板上測量RF信號來完成的（圖2）。為了準確地測量固定夾具裝置的影響，校準基板應能反映探針卡的多位置布局。
對於RF校準，有很多選項可以結合使用RF標準（表1）。對於較低的頻率，短路開路負載（SOLT）是標準的校準技術。為了最高精度，在所有標準上SOLT都需要好的定義。只要通道間串擾小於20dB，就可以使用短路-開路-負載-互易（SOLR）作為替代。那是因為當串擾達到小於20dB的水平時，SOLR算法會感到困惑，並且將無法正確計算直通長度。因此，在這種情況下，最好返回到SOLT方式校準。
隨著頻率的升高，使用了一種替代模型-多線直通（mTRL）。mTRL由NIST開發，被認為是RF校準的頂級標準。但是，由於探針之間的距離固定，很難與探針卡一起使用。
RF校準中要考慮的另一件事是，在後校準驗證中有很多「噪聲」時，也可能來自串擾。為了減少這種情況，事實證明，在矢量網絡分析儀（VNA）上使用掃描平均和降低中頻（IF）帶寬（BW）很有用。這使正在測量的可接受信號變窄，減少了串擾信號的影響。在校準後驗證中，測量結果變為+/- 0.1dB的波動，這在生產測試中是可以接受的水平。
5G的生產測試方法
為了評估5G生產晶圓測試平台中當前使用方法的不足，我們考慮了評估一種測試方法的四個主要指標：
1. 晶圓測試成本；
2. DUT功能測試覆蓋範圍的全面性，要求所有通道都返回測試儀；
3. 進行全帶寬測試的能力，其中信號不需要返回測試儀通道；
4. 探針卡的複雜性會導致耗材成本增加。
然後，我們研究了六種可能的測試方法（見表1）。可以看出，目前還沒有一種方法能夠完全勝任，這些方法都需要一定程度的折衷。所有方法均使用Form Factor的Pyramid Probe（金字塔形）探針卡技術進行了評估。
業界對上面列出的所有方法都相當了解，並且已經使用了多年。晶圓測試的唯一新方法是天線耦合。天線耦合展示了在大帶寬（比大多數合路器和不平衡平衡轉換器balun）大的情況下進行功率合併的能力，並且需要的面積更小，並且沒有功率，例如開關。與其他方法都具有至少一個紅色列的方法相比，這可以降低測試的成本。下面本節將介紹天線耦合方法，包括有關該方法工作原理的技術說明以及要評估的測試結構，最後再介紹由英特爾進行的測試。
使用天線耦合進行OTA測試使用天線時，應注意，電磁場的不同區域與離開天線的距離有關（圖3）。傳統的空中（OTA）測試是在封裝測試中完成的，測試工程師將喇叭形天線放在天線遠場區域的測試儀中，而電磁輻射是能量傳輸的主要類型。但是，使用天線耦合方法進行晶片測試時，將天線置於更近的位置，即位於近場區域，距離小於100μm，其中非輻射能量傳輸是主要的能量傳輸類型。
儘管由於天線與DUT的緊密關係，天線並未形成真實的天線波束方向圖，但它確實提供了一些好處。一方面，大多數天線工作在窄帶中，帶寬（BW）可能約為10％至20％，但是在近場感應區域中運行可使性能帶寬更大，接近80％或者更高。另外，將天線放置在薄膜中的優點在於，它也可以用於與多個通道的天線功率進行合成，並且可以在薄膜內輕鬆設計任意天線。
圖4：FormFactor設計的用於評估膜內天線的測試膜。它包括兩種不同類型的天線（偶極天線和環形天線），每一種天線都有大尺寸和小尺寸兩種尺寸。
為了評估Pyramid Probe（金字塔形）探頭進行OTA測試的能力，測試Pyramid Probe（金字塔形）探頭設計了兩種不同類型的天線：環形天線和偶極天線（圖4）。此外，每種類型都有兩種不同的尺寸，以評估每種天線隨尺寸變化的方式。為了模擬DUT，校準基板設計有相同的天線。結果（圖5和圖6）表明，這些天線具有良好的信噪比，並且工作範圍從大約5 GH z到50 GH z均具有平坦的性能。
另一個測試是在膜上使用環形天線，但在校準基板上放一個焊盤，看看DUT上的焊盤是否可以提供足夠大的信號以進行檢測（即，DUT是否需要在其上安裝天線進行測量，或者可以使用不帶任何其他結構的墊板）。結果（圖7）表明可以接收信號，但是響應不像校準基板上的天線那樣平坦。
使用5G設備進行OTA測試
在與英特爾的聯合合作下，為其5G RF-SoC設備開發了一種測試方法，因此進行了OTA測試，因為它可以在密集的RF-SoC中提供更簡單的功率組合設備布局。英特爾選擇了一種測試設備，並為此設備設計了一個膜，該膜包括三個不同的測量路徑：
1. 標準傳導– DUT與測試儀直接電連接；
2. 薄膜中與焊球相連的四分之一波天線，再傳送到薄膜中的環形天線，然後將信號傳送到測試儀；
以及3、在BGA焊球正上方的環形天線。
為了顯示可重複性，每種方法都在相同的DUT上進行了20次測試。Eachmet hod顯示出很高的可重複性（表2）。儘管與傳統的傳導方法相比，在四分之一波長線到環形天線方法（以及到天線的焊球方法）中，功率水平較低，但功率合成能力可提供多種功率在降低有源電路的複雜性和測試設置成本方面有一些好處，同時仍然為已知的良好管芯測試提供良好的信號。在此外，對通過系統的單音測量顯示出了乾淨的，未經修改的信號，以及從第一次觸地到最後觸地的高重複性（圖8）。
圖8：天線的單音測量方法顯示出了可重複性。在同一設備上，圖中頂部的測量是在第一次觸地測試，底部的測量是在第20次觸地測試。
然後，對天線測試方法的最終評估是採用12個單音信號，線性測量過程中查看信號，以檢查諧波失真。該信號沒有交叉模式效應，在整個頻帶上具有極高的線性響應，並且信號非常乾淨（圖9）。
總結
5G的發展需要測試方法的模式轉變與設備製造商和測試硬體製造商之間的緊密合作關係。毫米波測試和OTA測試帶來了越來越多的挑戰，並對產量產生了相應的影響。RF通道的指數級增長正在推動生產測試方法學的協同發展，以建立標準5G網絡部署。我們與英特爾合作開發了一種新的5G測試方法，這為半導體製造商全面投入生產提供了可能。