（本页是纯文字版，点此阅读完整版全文）

使用ATE测试单元对毫米波AiP模块进行大批量OTA测试

Jose Moreira，Advantest Corp.

面向5G新无线电(5G NR)等消费应用的封装天线(AiP)模块的开发为测试和测量行业带来了多项新挑战，其中包括大批量制造(HVM)测试。

在图1所示的AiP模块中，1×5阵列的贴片式双极化辐射器在垂直于天线阵列平面的方向上形成一个波束。AiP模块背面可包括球栅阵列(BGA)或电路板到柔性印刷电路(FPC)连接器，以便进一步组装。

测试被测设备（DUT），如HVM中的AiP模块，需要进行空中（OTA）测量，以测试天线辐射器及其馈电结构，包括收发器电子芯片的前端部分。这意味着测量天线必须集成到自动测试设备（ATE）测试单元中，这是对商用ATE测试单元的新要求。^1,2

图2显示了ATE测试单元的一个示例，该测试单元由Advantest V93000 ATE系统和Advantest M4841拣选机组成，前者可测试最大频率为70GHz的数字、功率、射频和毫米波信号，后者可自动馈送信号给封装部件进行测试。

此类测试单元是半导体行业后端环节的主力军，在这些环节中，无论是硅晶圆成品还是封装器件，都需要以高故障覆盖率和低测试成本进行测试。³然而，当芯片集成到AiP模块中时，毫米波传导测试就不再可行，只能使用测量天线进行OTA测试。

在AiP模块制造测试流程的高级示意图（图3）中，在流程开始时，要对包含毫米波芯片的晶圆进行测试，这些芯片将成为AiP模块的一部分。测试内容可以多种多样，例如，只进行直流参数测试、毫米波环回测试，甚至全参数毫米波测试。流程的下一步是将毫米波芯片组装到AiP模块中。在这一过程中，可使用X射线可视化等技术检查装配中的故障。完成毫米波芯片集成后，可对包括天线阵列在内的AiP模块进行测试。同样，在这一阶段，测试可以是非常基本的（如直流参数测试和一些内置自测试），也可以包括OTA环回测试或完整的OTA参数测试。

表1列出了在完整OTA参数测试这一阶段执行的典型测试。请注意，该测试清单不同于在电波暗室中进行的AiP天线阵列表征或特定标准符合性验证测试。该测试流程测试器件的好坏，而不是分析结构。最后，在对AiP模块进行测试后，将其组装成最终消费设备（如手机）的一部分，并进行进一步测试，其中可能还包括对完整最终产品的OTA测试。

从测试成本的角度来看，在制造流程（如图3所示）的早期发现不良DUT更为有利，因为这样可以避免昂贵的封装、组装或额外测试步骤。每个AiP模块制造商都要决定具体的测试策略以及每个步骤的测试量。

ATE大批量OTA测试选项

毫米波组件的生产测试传统上都是使用台式设备和机架式测量装置，并人工处理被测件。这种方法在消费应用带来测试成本压力之前是可行的，但随着毫米波技术进入无线消费应用，情况发生了变化。

要在5G NR应用的AiP模块HVM测试中实现低测试成本和高故障覆盖率并非易事。多年来，半导体测试行业已开发出多种策略，以不断降低消费应用的测试成本。其中一项常用技术就是使用多点测试。挑战在于如何将这些既定策略应用于HVM OTA测试。

表2列出了HVM OTA测试的典型策略。最直接的方法是在远场区域使用测量天线。这与电波暗室中使用的典型设置非常接近。不过，在HVM OTA测试中，测量天线固定在一个位置，通常与DUT天线阵列垂直。这种方法具有传统天线测试的所有优点，但在集成到标准ATE测试单元时，尤其是多站点实施时，会面临一些复杂的机械难题。在商用拣选机中进行单点实施是可行的¹。

第二种方法是通过缩小AiP DUT与测量天线之间的物理距离，将测量天线引入辐射近场区域，从而解决将OTA测量装置集成到标准ATE测试单元的机械难题。这种方法可以在标准ATE测试单元上实现多点集成，从而显著降低测试成本。不过，这种方法也有技术上的缺点，首先是需要使用优秀的器件校准技术。

最后一种策略是环回测试。环回测试是高速数字和射频测试的一种普遍方法。由于它不需要任何毫米波测量仪器，因此是一种低成本的测试方法。通常，目标是在产品达到一定成熟度后，能够转而采用环回测试策略，并在抽样基础上增加一些参数的OTA测试。AiP模块的最终用户可能期望故障率为零。然而，OTA环回测试可能有几个重大限制¹，这使其使用具有挑战性。

为OTA HVM测试选择正确的策略取决于多种因素，例如，器件处于哪个生产爬坡阶段、类似器件的生产测试经验等。因此，策略可能会根据DUT测试生命周期的阶段而改变。

Advantest已开发出一套HVM OTA测试解决方案组合，可使用商用ATE系统和外包半导体组装和测试(OSAT)公司使用的标准拣选机，支持表2所述的不同测试策略。图4展示了三种不同的设置。请注意，DUT PCB测试夹具在所有三种设置中都是通用的，包含八个DUT插座，可在生产测试中并行测试八个AiP DUT。

图4a所示的设置相当于使用现成的双极化测量天线进行远场测量。天线开口距离DUT天线阵列25厘米。测量天线固定垂直于DUT天线阵列。这种设置对执行OTA参数测量非常有效，因为它可以使用标准天线测量技术进行校准。通过这种设置，工程师可以制定初始测试程序，并通过验证与工作台参考测量设置的相关性，建立对ATE测量仪器的信心。这种相关性只能确定设备的好坏，并不能确定DUT或天线阵列的结构特性。这就是为什么在生产测试中使用单一位置的测量天线是可以接受的。

完成这一步骤后，就可以进行下一步设置，即近场插座（图4b）。插座的物理尺寸较小，可以在生产中进行多点测试，同时还能提供OTA参数测量结果。在这一阶段，测试工程师可将使用该装置的测量结果与先前的远场装置结果进行关联，以确定适当的关联/校正因子和通过/失败阈值。请注意，测试程序、PCB测试夹具和测量仪器与远场设置相同，从而大大减少了测试工程师的开发工作量。

最终设置（图4c）是完整的HVM多点生产测试单元，包括机器人拣选机，可对大量AiP DUT进行测试，并自动将其分为合格和不合格器件。

辐射近场OTA HVM测试

如前所述，使用近场OTA插座可进行OTA参数测量，同时允许在标准商用ATE测试单元上进行多点集成，这是因为，与远场测量设置相比，近场OTA插座的物理尺寸较小。

图5详细介绍了手动远场和近场OTA插座。远场插座包括一个传统的电气插座底座（如弹簧销或弹性体）和一个盖子，用于将DUT推入插座以实现可靠的电气接触。OTA测试面临的挑战是，插座主体非常重要，盖子材料会直接影响DUT的天线阵列性能¹。

在选择插座主体材料和插座设计时必须特别小心，以尽量减少对被测设备天线阵列性能的影响。这并非易事，因为我们需要在电磁要求和机械要求之间进行优化，电磁要求优先考虑没有靠近天线阵列的材料，而机械要求则是必须在插座上安装盖子，并具有一定的自对准功能，以便将DUT可靠地插入插座。⁴

靠近DUT天线阵列的任何材料都必须具有极低的介电常数，这通常意味着机械强度较低。例如，典型的盖子材料是Rohacell HF75，介电常数为1.09，但杨氏模量为92兆帕。典型的插座材料是PEEK，因为其机械强度高（杨氏模量为35000兆帕），但介电常数为3.2。这意味着OTA插座通常是不同材料的混合体，如图5所示。

近场插座的另一个关键部分是测量天线，如图5所示。本例中的测量天线孔距DUT天线阵列3厘米。测量天线不仅要覆盖应用频率范围（如5G FR2的24-56GHz）和极化（如双线极化）要求，还必须具有较小的外形，以满足日后集成到多点测试装置中的机械要求。由于这些要求，插座天线设计与传统天线设计相比具有独特性⁵。

图6显示了与近场OTA测试相关的两个重大挑战。第一个挑战（图6a）是测量天线无法像远场OTA测试那样平等地测量所有天线阵元。因此，准确的设备校准对于正确关联每个天线阵元的测量结果至关重要。第二个挑战是，测量天线现在离被测设备的AiP天线阵列很近，可能会影响被测设备的AiP天线阵元（天线失谐），导致驻波效应。如图6b所示，其中模拟了两个贴片天线，它们之间的距离各不相同。通过正确选择测量天线与插座中DUT天线阵列之间的距离，可以解决这一难题。目的是避免测试计划中使用的测试频率位于谐振驻波频率上。Advantest开发了一种自动程序，可根据一组测试频率确定最优距离。⁶还请注意，如果设计得当，插座内部的吸波结构（如图5所示）可大大有助于缓解这一问题。

拣选机集成

要在HVM中进行OTA测试，必须将OTA插座（包括测量天线）集成到标准商用拣选机中。有两种可能的选择（图7）。第一种方法采用倒装（dead-bug）配置（图7a）。⁷这种方法最初很有吸引力，因为它避免了将测量天线集成到拣选机臂中的难题，而是将其作为DUT测试夹具的一部分。遗憾的是，它大大增加了DUT测试夹具装配的复杂性，并需要一个电气上更复杂的插座。

第二种方法是使用传统的正装（live-bug），如图7b所示，拣选机臂将DUT挑起并推入DUT插座。在OTA设置中，由于天线集成在拣选机臂上，因此需要一个盲插毫米波连接器，该连接器能多次盲插。^8,9

图8举例说明了在Hontech HT-9046LS拣选机中8点位OTA更换套件的实施情况。一个机械臂用于拾取DUT并将其放置在插座上，另一个机械臂用于OTA测试，并包含测量天线和盲插波导连接器。

图9更详细地显示了连接到每个拣选机臂上的OTA更换套件。在这幅图中没有显示吸波元件，但它不仅对解决狭小插座空间内的不必要影响至关重要，而且对改善相邻点位之间的隔离也很重要，如图10所示。¹

拣选机集成的另一个关键点是DUT温度控制，不仅要在测试期间控制集成芯片的温度（这会影响测量性能），而且在特定应用中，还要在低温和高温下测试DUT。这可以通过直接控制每个DUT的温度或控制拣选机室内的温度来实现。¹⁰

这些模块也可使用标准商用拣选机进行测试。¹¹虽然本文没有展示测量结果，但参考文献12使用定制设计的AiP演示车展示了一些可能的OTA测量和相关结果。

结论

Advantest提供的HVM OTA测试解决方案可利用半导体制造业后端已建立的测试基础设施，通过OTA参数测量对毫米波AiP模块进行高故障覆盖率测试。通过在标准ATE测试单元上使用多点配置，该解决方案可降低测试成本。

致谢和参考文献（见www.microwavejournal.com/articles/44436）

图1 AiP模块的示意图。

图2 标准ATE测试单元示例。

图3 AiP模块制造测试流程示例。

图4 使用相同DUT测试夹具和程序的不同OTA测试设置。

图5 远场和近场OTA插座。

图6 由于（a）天线阵元位置和（b）测量天线插座与AiP天线阵列之间的驻波效应造成的近场测量变化

图7 用于OTA测试的拣选机集成示意图：(a)倒装和(b)正装。

图8 带有Advantest OTA更换套件的Hontech拣选机。

图9 拣选机集成示意图：(a)取放式拣选机臂，(b)带插座盖和探测天线的拣选机臂。

图10 带有和不带射频吸波元件的两个相邻点位之间的串扰模拟。

表1 HVM OTA测试中的典型参数测试

表2 ATE OTA HVM生产测试的测试策略