集成電路芯片的射頻測(cè)試技術(shù)分析

華為技術(shù)有限公司 劉 琮

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，我國(guó)集成電路的設(shè)計(jì)和制造水平已經(jīng)有了很大程度的提高。射頻集成電路是電子技術(shù)的重要組成部分，在射頻集成電路的開(kāi)發(fā)和制造中，射頻測(cè)試技術(shù)水平的高低對(duì)射頻集成電路的生產(chǎn)質(zhì)量具有重要的影響。本文以射頻集成電路為主要研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)集成電路芯片的射頻測(cè)試技術(shù)進(jìn)行探討和分析，為我國(guó)射頻集成電路的生產(chǎn)和發(fā)展提供借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

集成電路是一種新型的半導(dǎo)體器件，它具體是將構(gòu)成電路所需要的半導(dǎo)體、電阻、電容等電子元件通過(guò)氧化、光刻、擴(kuò)散、外延等半導(dǎo)體制造工藝集成在硅片上，并封貼在管殼內(nèi)的電子器件。射頻集成電路是集成電路的一種，它與集成電路最主要的區(qū)別就是應(yīng)用的射頻測(cè)試技術(shù)。要想對(duì)集成電路芯片的射頻測(cè)試技術(shù)進(jìn)行研究，首先就要了解什么是集成電路芯片和射頻測(cè)試技術(shù)。

1 集成電路芯片與射頻測(cè)試技術(shù)

1.1 集成電路芯片

雖然集成電路在現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展時(shí)間并不長(zhǎng)，但從集成電路誕生之后的2G網(wǎng)絡(luò)通信到現(xiàn)階段的5G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)和科技水平的進(jìn)步讓集成電路的開(kāi)發(fā)和制造水平都有了很大程度的提升。

現(xiàn)階段，我國(guó)的集成電路的應(yīng)用主要體現(xiàn)在加工設(shè)備、加工工藝、封裝測(cè)試、批量生產(chǎn)及設(shè)計(jì)創(chuàng)新的能力上，在電子設(shè)備的生產(chǎn)和制造、通信技術(shù)等方面都具有廣泛的應(yīng)用。集成電路技術(shù)主要包括芯片設(shè)計(jì)技術(shù)和制造技術(shù)，集成電路是芯片的核心組成部分，它主要是由硅基板、電路、固定封環(huán)、接地環(huán)和防護(hù)環(huán)等組成的電子元件。在對(duì)射頻測(cè)試技術(shù)進(jìn)行分析之前，首先就要了解射頻集成電路的芯片構(gòu)成。因?yàn)樯漕l集成電路是集成電路的一種，因此射頻集成電路的芯片與正常的集成電路芯片的構(gòu)成是一致的。

1.2 射頻測(cè)試技術(shù)

射頻測(cè)試技術(shù)是射頻集成電路區(qū)別于其他集成電路的重要技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，用于各種電子設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的集成電路芯片的設(shè)計(jì)和制造水平都有了很大程度的提高。然而盡管如此，現(xiàn)代化社會(huì)的發(fā)展對(duì)電子設(shè)備功能的要求增加使得集成電路的制作和生產(chǎn)質(zhì)量要求也在不斷地提高。射頻集成電路作為我國(guó)集成電路中應(yīng)用最為廣泛的一種，研究和分析射頻測(cè)試技術(shù)對(duì)提高射頻集成電路的質(zhì)量，滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)于射頻集成電路功能的需求具有重要的意義。然而現(xiàn)階段我國(guó)對(duì)于集成電路技術(shù)的提高主要將精力集中于集成電路的設(shè)計(jì)和制造工藝上，對(duì)于測(cè)試技術(shù)并不重視。射頻測(cè)試技術(shù)作為射頻集成電路中的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)其進(jìn)行研究和分析，對(duì)促進(jìn)射頻集成電路生產(chǎn)質(zhì)量的提高具有重要的作用。

2 集成電路芯片的射頻測(cè)試技術(shù)分析

2.1 射頻測(cè)試技術(shù)原理

要想對(duì)集成電路芯片的射頻測(cè)試技術(shù)進(jìn)行分析，首先就要清楚的了解射頻測(cè)試技術(shù)的原理。集成電路以其體積小、重量輕、使用壽命長(zhǎng)、性能好等特點(diǎn)被電子設(shè)備和通信技術(shù)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，研究集成電路對(duì)促進(jìn)我國(guó)電子技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展具有重要的作用。對(duì)集成電路進(jìn)行測(cè)試，以測(cè)試結(jié)果指導(dǎo)設(shè)計(jì)，如此反復(fù)迭代，是保證證集成電路的生產(chǎn)質(zhì)量和技術(shù)水平的重要步驟。集成電路傳統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)主要是通過(guò)將集成電路安裝到測(cè)試夾具中進(jìn)行單一的測(cè)試。這種測(cè)試方法不僅速度比較慢，還容易因夾具的性能問(wèn)題引入干擾因素，也很難達(dá)到顯著的測(cè)試效果，同時(shí)也會(huì)忽略集成電路中存在的一些問(wèn)題，進(jìn)而影響集成電路的質(zhì)量安全。

射頻測(cè)試技術(shù)基于射頻集成電路，主要是通過(guò)在片測(cè)試的方法來(lái)進(jìn)行的。在片測(cè)試是一種裸芯片的測(cè)試平臺(tái)，它能夠通過(guò)探針臺(tái)、微波探針、直流偏置探卡等基本的集成電路測(cè)試設(shè)備來(lái)配備相應(yīng)的測(cè)試儀器。與集成電路傳統(tǒng)的測(cè)試技術(shù)相比，在片測(cè)試技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展，不僅能夠去除金絲長(zhǎng)度和測(cè)試夾具對(duì)集成電路芯片造成的性能損失，還能夠?qū)Υ笠?guī)模的射頻集成電路進(jìn)行測(cè)試，在提高對(duì)射頻集成電路測(cè)試速度的同時(shí)降低成本的消耗。目前最先進(jìn)，使用最廣泛的在片測(cè)試方案是FormFactor公司的探針測(cè)試系統(tǒng)。

2.2 直流在片測(cè)試系統(tǒng)

直流在片測(cè)試系統(tǒng)是集成電路的射頻測(cè)試系統(tǒng)中的重要組成部分。通過(guò)前面的分析可以得知，射頻測(cè)試技術(shù)主要是通過(guò)在片測(cè)試的原理來(lái)對(duì)射頻集成電路進(jìn)行測(cè)試的。直流在片測(cè)試系統(tǒng)是在片測(cè)試中較為重要的一個(gè)部分。直流在片測(cè)試系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)檢測(cè)的對(duì)象是各類(lèi)工藝的射頻集成電路晶圓，包含GaAs，SiGe，CMOS等，它主要分為直流終測(cè)和PCM測(cè)試兩個(gè)較為重要的方面。由于需要測(cè)試的對(duì)象是晶圓上數(shù)以千記的裸片，因此需要格外注意測(cè)試的準(zhǔn)確性和速度。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段我國(guó)已經(jīng)建立起自動(dòng)化的直流在片測(cè)試系統(tǒng)，這種自動(dòng)化的工作模式不僅能夠提高測(cè)試的速度，還能夠降低人工檢測(cè)的成本和出現(xiàn)差錯(cuò)的概率。

使用直流在片測(cè)試系統(tǒng)對(duì)射頻集成電路進(jìn)行測(cè)試，主要是為了檢測(cè)集成電路的功耗，各模組靜態(tài)工作點(diǎn)，以及低頻振蕩問(wèn)題。集成電路的高功耗容易引起異常的溫升，從而影響整個(gè)芯片的性能，嚴(yán)重地可造成芯片燒毀；靜態(tài)工作電壓異?？杀碚骼^承電路每一級(jí)元件是否正常工作；而低頻震蕩則可能引起整個(gè)電子系統(tǒng)的癱瘓。針對(duì)在片測(cè)試中容易發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，在電路設(shè)計(jì)方對(duì)芯片進(jìn)行架構(gòu)優(yōu)化，元件選型，增加濾波電路等，可以解決溫升，震蕩等問(wèn)題。以此來(lái)保證直流測(cè)試技術(shù)能更好地為射頻集成電路服務(wù)。

2.3 小信號(hào)S參數(shù)測(cè)試技術(shù)

小信號(hào)S參數(shù)測(cè)試也是集成電路芯片的射頻測(cè)試技術(shù)中的一個(gè)主要類(lèi)別。由于在通信系統(tǒng)中，集成電路的對(duì)射頻信號(hào)的放大，傳輸和反射要求極為嚴(yán)格，而大信號(hào)通常引起高頻增益的壓縮，無(wú)法精準(zhǔn)評(píng)估電路，因此小信號(hào)S參數(shù)測(cè)試技術(shù)也是射頻測(cè)試系統(tǒng)中不可缺少的一部分。小信號(hào)S參數(shù)測(cè)試技術(shù)主要的作用是解決對(duì)射頻集成電路進(jìn)行測(cè)試的精準(zhǔn)度和穩(wěn)定性的問(wèn)題。由于射頻集成電路主要作為信號(hào)傳輸電路應(yīng)用在電子設(shè)備和通信技術(shù)當(dāng)中，因此在對(duì)射頻集成電路進(jìn)行測(cè)試時(shí)，對(duì)于射頻集成電路精確度的把握是需要重點(diǎn)注意的。而且由于在對(duì)射頻集成電路進(jìn)行測(cè)試時(shí)，容易受到外界干擾對(duì)測(cè)試結(jié)果造成的影響，所以在對(duì)射頻集成電路應(yīng)用測(cè)試技術(shù)時(shí)，需要盡量避免受到以上情況的影響。

為提高精度，S參數(shù)測(cè)試會(huì)選擇高頻高靈敏度的網(wǎng)絡(luò)分析儀和高質(zhì)量駐波的射頻電纜，并提取相應(yīng)的校準(zhǔn)參數(shù)。Keysight公司的PNA 5247S矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀及Form Factor公司的校準(zhǔn)片都是當(dāng)今世界最先進(jìn)的設(shè)備，矢網(wǎng)可以導(dǎo)入通過(guò)校準(zhǔn)片提取的寄生參數(shù)，從而去嵌掉電纜和微波探針對(duì)芯片的性能影響，提高對(duì)于射頻集成電路測(cè)試的精準(zhǔn)度。另外，為了盡量減小外界因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的電磁干擾，在應(yīng)用小信號(hào)S參數(shù)測(cè)試技術(shù)時(shí)，通常將被檢測(cè)的電路元件放在屏蔽罩中。

2.4 測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)技術(shù)及成品率統(tǒng)計(jì)程序的編寫(xiě)

隨著我國(guó)電子工業(yè)的發(fā)展，市場(chǎng)對(duì)集成電路的性能和工藝需求有了很大的提升，因而需要在集成電路芯片的生產(chǎn)完成之后，能夠及時(shí)地掌握芯片的性能和使用情況，在射頻集成電路的測(cè)試階段就需要對(duì)測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并將所得的分析結(jié)果反饋給射頻集成電路的設(shè)計(jì)部門(mén)，以便達(dá)到更好的電路優(yōu)化，進(jìn)而改進(jìn)和提高射頻集成電路的生產(chǎn)和設(shè)計(jì)工藝水平。

為了全面反映芯片性能，必須根據(jù)芯片的應(yīng)用，對(duì)其進(jìn)行關(guān)鍵指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)學(xué)批量統(tǒng)計(jì)。如放大器類(lèi)芯片的增益，回波損耗和帶寬，鎖相環(huán)芯片的抖動(dòng)和靈敏度，開(kāi)關(guān)類(lèi)芯片的插損和駐波等。而為提高統(tǒng)計(jì)效率和準(zhǔn)確性，需采用電腦程序進(jìn)行自動(dòng)化處理。Eoulu公司晶圓智能分析軟件，能實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)地統(tǒng)計(jì)出芯片關(guān)鍵性能的分布情況，在集成電路內(nèi)業(yè)廣泛應(yīng)用。

2.5 控制程序的編寫(xiě)

在現(xiàn)代化社會(huì)發(fā)展的時(shí)代背景下，各行業(yè)和領(lǐng)域高效、高可靠性生產(chǎn)需求迫使設(shè)備儀器的自動(dòng)化來(lái)代替人工操作，電子技術(shù)行業(yè)也不例外。在集成電路的研發(fā)和制造過(guò)程中，自動(dòng)化的生產(chǎn)技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。而對(duì)于射頻集成電路的射頻測(cè)試技術(shù)而言，很多半導(dǎo)體研發(fā)和制造企業(yè)研發(fā)出了通過(guò)編寫(xiě)控制程序來(lái)對(duì)射頻集成電路的測(cè)試技術(shù)來(lái)進(jìn)行自動(dòng)化控制的技術(shù)工藝。與傳統(tǒng)的集成電路測(cè)試技術(shù)相比，自動(dòng)化控制程序的編寫(xiě)不僅能夠有效解決傳統(tǒng)的集成電路測(cè)試技術(shù)存在的檢測(cè)速度慢、缺少可靠性等問(wèn)題，還能夠大大提高集成電路測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)我國(guó)集成電路行業(yè)的發(fā)展和集成電路技術(shù)水平的提高具有重要的意義。在現(xiàn)階段我國(guó)的集成電路研發(fā)和制造過(guò)程中，大多數(shù)射程電路測(cè)試儀表都具有程控功能，而業(yè)內(nèi)最先進(jìn)的工業(yè)控制公司NI推出的PXI系統(tǒng)使用Labview圖形編程語(yǔ)言，通過(guò)通用接口總線（GPIB）控制儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，利用流程軟件Test Stand調(diào)用測(cè)試項(xiàng)和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，是半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)用最廣泛的程控方案。

結(jié)論：綜上所述，射頻檢測(cè)技術(shù)在我國(guó)的集成電路芯片檢測(cè)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。通過(guò)從射頻測(cè)試技術(shù)原理、直流在片測(cè)試系統(tǒng)、小信號(hào)S參數(shù)測(cè)試技術(shù)、測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)技術(shù)及成品率統(tǒng)計(jì)程序的編寫(xiě)、控制程序的編寫(xiě)等多個(gè)主要方面入手，對(duì)現(xiàn)有的集成電路芯片的射頻檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行分析，可以得知世界最先進(jìn)的集成電路檢測(cè)技術(shù)還是掌握在歐美發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)的集成電路檢測(cè)技術(shù)仍需不斷進(jìn)步和發(fā)展。