多功能芯片由單入單出單通道升級為多入多出多通道收發(fā)芯片，并大量應(yīng)用于現(xiàn)代通信領(lǐng)域。

針對多收發(fā)通道多功能芯片測試過程中，多次移動探針、重復(fù)壓針、無法自動測量、測試效率低等不足，研究了多端口在片校準(zhǔn)技術(shù)。通過去嵌入校準(zhǔn)方法，將校準(zhǔn)面移到探針尖端，實現(xiàn)了多端口微波探針在片精確校準(zhǔn)。

提出了一次壓針測試多端口芯片各項參數(shù)的方法，利用定制的集成多端口共面探針，搭建了一次壓針全通道測試系統(tǒng)，通過軟件控制開關(guān)矩陣，完成多端口信號傳輸及數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)一次壓針全通道測試。并與傳統(tǒng)測試方法的測試數(shù)據(jù)進行對比分析，證明了該方法的可行性。

1 引言

隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)在電子領(lǐng)域的飛速發(fā)展，對小型化、智能化、輕量化和高可靠的多收發(fā)通道多功能芯片的需求量越來越大。

針對多收發(fā)通道多功能芯片在片測試技術(shù)，國內(nèi)主要采用單端口信號源、2 端口網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波探針臺等測量儀器設(shè)備集成單端微波探針的測試系統(tǒng)。測試2 端口芯片的S 參數(shù)常規(guī)方法是在電路的正、反方向加載單路微波信號，測試多入多出多收發(fā)通道微波單片集成電路時采用2 端口單通道測試系統(tǒng)，該方法需多次移動探針、多次測量，存在許多弊端。

如測試4 個發(fā)射端口與4 路接收端口之間各個通道的S 參數(shù)時，需要移動4 次探針對4 個通道逐一測試，在片測試時需反復(fù)挪動探針、多次切換測試端口對各個通道進行測試，反復(fù)壓針對于芯片表面損傷加重，芯片可靠性風(fēng)險加大、測試效率低。

針對多收發(fā)通道多功能芯片在片測試技術(shù)，國外許多公司研制了新的測試儀器。是德公司研制了新型內(nèi)部集成開關(guān)矩陣矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，用于測試新的多端口射頻電路，可支持20 個端口測試; 歐洲羅德施瓦茨公司研制了多端口測試網(wǎng)絡(luò)分析儀，可支持16 個端口測試。國外測試多端口產(chǎn)品時，采用此類多端口集成測試儀集成微波直流混合探卡，形成高集成測試系統(tǒng)，但上述測試系統(tǒng)價格高昂，測試成本高，定制周期長。

基于以上需求，本文研發(fā)了一種多收發(fā)通道多功能芯片一次壓針在片測試系統(tǒng)，并基于現(xiàn)有單通道2 端口測試系統(tǒng)及一種集成微波探針和多通道在片校準(zhǔn)技術(shù)，開發(fā)自動測試軟件，提出了多收發(fā)多功能芯片一次壓針在片測試方法。該方法降低了進口高端儀器的成本，解決了手動切換探針等問題，提高了測試效率。

2 現(xiàn)有測試技術(shù)

多收發(fā)通道多功能芯片是將低噪聲放大器、移相器、衰減器和開關(guān)等多種功能的電路根據(jù)系統(tǒng)需要集成在一個芯片上。主要在系統(tǒng)中實現(xiàn)對射頻信號的放大、分配/合成、相位控制、幅度控制以及射頻功率管理等功能。

多功能芯片逐步由單入單出單通道發(fā)展為多入多出多通道，通過提高多功能芯片集成度，增加芯片功能，減小芯片尺寸和質(zhì)量，實現(xiàn)多功能芯片的高可靠、小體積和輕量化，并向著高頻段、寬頻帶和多通道方向發(fā)展。

本文以在片測試一個Ku 波段4 通道收發(fā)多功能芯片為例介紹測試方法。該芯片共有9 個射頻端，由于傳統(tǒng)單通道2 端口射頻測試端口的限制，采用傳統(tǒng)2 端口測試方法測試所有通道電參數(shù)需要移動8 次探針，分別采集8 次數(shù)據(jù)，才能完成所有通道綜合參數(shù)的測試。

該方法效率低，同時多次壓針損傷芯片表面，影響電路可靠性，存在使用隱患。迫切需要研發(fā)一種多收發(fā)通道多功能芯片的自動化測試技術(shù)，被測件僅需一次壓針，無需移動探針切換端口就能完成所有參數(shù)的測試，可大幅提高測試效率。

3 多收發(fā)通道多功能芯片

多收發(fā)通道多功能芯片，一次壓針在片測試技術(shù)

多收發(fā)通道多功能芯片一次壓針在片測試技術(shù)采用集成多頭射頻探針、微波開關(guān)、直流探卡、2端口矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、微波承片臺和控制器組成測試系統(tǒng)。

基于上述測試系統(tǒng)，探針在片測試首先需將探針固定在探針定位器，通過x、y、z 軸移動探針接觸被測芯片輸入、輸出信號壓點，受常規(guī)測試探針臺尺寸的限制無法擺放多個探針定位器，本文采用定制的多端口共面探針，通過定位裝置固定在標(biāo)準(zhǔn)探針定位器上實現(xiàn)一次壓針全通道測試。選取的共面微波探針由導(dǎo)體連接模塊、同軸連接器、探針基板、探針觸頭等組成。在設(shè)計和制作上要求能夠覆蓋微波測試的全頻帶，同時應(yīng)具有損耗小、反射信號低以及同芯片電纜線間的電串?dāng)_小等特性。

本文首先依據(jù)4 通道收發(fā)芯片壓點尺寸設(shè)定信號和地之間的間距，定制多射頻GSG-GSG-GSG-GSG共面探針。選取復(fù)合基片和軟硬結(jié)合的探針觸頭，探針觸頭在GSG 結(jié)構(gòu)中G 壓點與S 壓點之間的相對間距不超過0. 05λ ( 最高測試頻率波長)，保證信號在探針上傳輸?shù)耐暾裕軌蛱峁┳吭降膱鲆种菩Ч瑫r采用軟硬結(jié)合的探針觸頭和微波基片可提高探針的壽命。

其次，對多收發(fā)通道多功能芯片進行一次壓針測試，需要提取定制的多端口射頻探針表征參數(shù)的誤差項，該參數(shù)的提取方法主要基于R. F. Bauer 等人提出的提取測試夾具的表征參數(shù)校準(zhǔn)方法。

該方法的第一步，將夾具外側(cè)端口作為測試參考面進行同軸校準(zhǔn); 第二步，基于第一步的校準(zhǔn)結(jié)果測試已知夾具內(nèi)的S 參數(shù)的校準(zhǔn)器件; 第三步，基于第一步和第二步測試結(jié)果推算出被測夾具的表征S參數(shù)，最終提取被測夾具的表征特性。

基于上述方法，提取多端口探針參數(shù)時首先要確定同軸端面誤差，使用同軸標(biāo)準(zhǔn)件( 同軸開路件、短路件以及負(fù)載) 進行同軸單端口校準(zhǔn); 其次確定探針端面誤差，連接微波探針使用探針校準(zhǔn)件( 在片開路件、短路件以及負(fù)載) 進行在片單端口校準(zhǔn)，利用同軸端面與探針端面推導(dǎo)出微波探針表征參數(shù)。

通過對多端口微波探針表征參數(shù)的提取進一步研究實現(xiàn)電路的一次壓針測試技術(shù)，本文進而對多通道在片校準(zhǔn)技術(shù)展開研究。在現(xiàn)有測試系統(tǒng)中，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的誤差修正技術(shù)，在性能和測試質(zhì)量方面獲得了極大的優(yōu)勢。常見的基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)技術(shù)主要有短路－開路－負(fù)載－直通( SOLT) 校準(zhǔn)技術(shù)和直通－ 反射－ 線路( TRL)校準(zhǔn)技術(shù)，它們分別基于12 項誤差模型和8 項誤差模型。

隨著技術(shù)的進步，之后還陸續(xù)出現(xiàn)了短路－開路－負(fù)載( SOL) 校準(zhǔn)算法、短路－開路－負(fù)載－反射( SOLR) 校準(zhǔn)算法、線路－反射－線路( LRL ) 校準(zhǔn)算法和線路－ 反射－ 匹配( LRM) 校準(zhǔn)算法等。

本文采用去嵌入校準(zhǔn)方法結(jié)合SOLT 校準(zhǔn)算法，去嵌入校準(zhǔn)主要針對無法直接測試被測件( DUT) 的S 參數(shù)時，需進行虛擬匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)置以移除實際匹配網(wǎng)絡(luò)，將校準(zhǔn)面從匹配網(wǎng)絡(luò)端口移至DUT 的輸入、輸出端口。使用同軸校準(zhǔn)件采用SOLT 校準(zhǔn)方法對同軸端校準(zhǔn)，采用去嵌入校準(zhǔn)技術(shù)將提取的多端口射頻探針表征參數(shù)級聯(lián)計算進行去嵌入，校準(zhǔn)面前移至探針校準(zhǔn)面，其原理如圖1所示。

圖1 校準(zhǔn)原理圖

測試系統(tǒng)經(jīng)過上述方法校準(zhǔn)后，將微波探針加載到相應(yīng)的被測芯片的端口RF1 ～ RF8，基于網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波開關(guān)通過控制程序發(fā)射和接收各通道微波信號，同時基于數(shù)字控制器提供相應(yīng)的數(shù)字控制信號( 如圖2 所示) ，通過控制軟件依次測量各通道下的各項參數(shù)。

當(dāng)TR 和DIN 輸出控制邏輯信號為“000”時，控制器控制微波開關(guān)連通IN 和K1，信號的流經(jīng)途徑為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Port1→芯片RFC→芯片RF1→多頭射頻探針①→開關(guān)矩陣K1→開關(guān)矩陣IN→矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Port2 形成閉環(huán)，測試被測芯片RFC 到RF1 間通道參數(shù); 控制器為TR 和DIN 輸出控制邏輯為“001”信號時，此時芯片選擇左支路RFC 到RF2 通道打開，同時控制微波開關(guān)連通IN 和K2，信號的流經(jīng)途徑為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Port1→芯片RFC→芯片RF2→多頭探針②→開關(guān)矩陣K2→開關(guān)矩陣IN→矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Port2 形成閉環(huán)，測試RFC 到RF2 間實際參數(shù)，依次類推，至各通道測試完成。

圖2 9端口在片測試系統(tǒng)示意圖

為保障多端口測試方法的準(zhǔn)確性，選取多端口微波單片集成電路，采用常規(guī)測試方法和本文提出的多端口在片測試方法進行對比，驗證多端口探針去嵌入測試方法的準(zhǔn)確性與可行性，采用常規(guī)測試方法和本文多收發(fā)通道測試方法同時測試芯片中1通道的輸入回波損耗( S11) 和輸出回波損耗( S22) ，測試結(jié)果如圖3 和圖4 所示。

由圖可見兩條測試曲線基本重合，證明該方法具有可行性。采用常規(guī)測試方法與本文多收發(fā)通道測試方法測試芯片中1 通道的增益( S21) 和1 dB 壓縮點的輸出功率( Po( 1 dB) ) ，如圖5 和圖6 所示。從圖中看出兩種測試方法誤差小于3%，證明該方法具有可行性。

圖3 兩種方法測試的芯片輸入回波損耗曲線

圖4 兩種方法測試的芯片輸出回波損耗曲線

圖5 兩種方法測試的芯片增益

圖6 兩種方法測試的芯片Po( 1 dB)

與常規(guī)測試方法相比，本文測試方法無需移動探針，一次壓針自動采集，測試效率大幅提高，解決了手動移針多次壓針測試效率低、對芯片表面損傷大的問題。

4 結(jié)論

本文基于同軸端口和在片端口應(yīng)用SOLT 校準(zhǔn)提取共面微波探針S 參數(shù)的方法，獲得多射頻探針的特性參數(shù)，采用去嵌入校準(zhǔn)方法應(yīng)用于多射頻探針在片校準(zhǔn)，實現(xiàn)多收發(fā)通道多功能芯片在片一次壓針全通道測試，獲得的芯片任一通道的一次測試數(shù)據(jù)與常規(guī)單端探針測試方法結(jié)果一致。多收發(fā)通道多功能芯片在片測試方法無需移動探針，一次壓針獲得全通道參數(shù)，大幅提高了效率，降低了芯片多次壓針造成的芯片損傷。

審核編輯：湯梓紅