功率掃描算法提高射頻放大器的測試效率

摘要：射頻功率放大器是一種廣泛應用于移動通訊基站，高頻功率放大設備的N 溝道共源極LDMOS器件，憑借其大增益、寬波段、高可靠性的特點在通訊及工業設備中保持穩定的工作特性。由于3G 協議CDMA和WCDMA信號技術的要求，對于射頻功率放大器制造過程中所需要的復雜信號測試時間也在不斷增加，測試成本提高，從而制約了的產品單位時間產出率。本文就如何在現有的測試條件下，通過改進測試算法來提高系統測試效率給出一些試驗結果。

關鍵詞：射頻；增益；三階交調；鄰通道功率比

中圖分類號：TN722.75 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712（2012）20-0050-02

一、射頻（RF）功率放大器的功能測試流程及參數

射頻（RF）功率放大器的功能測試采用典型雙通道信號源輸入，兩路射頻信號頻率接近、振幅相同，經各自放大器功率放大后混頻進入待測器件輸入端。器件在直流電源偏壓的作用下進入工作狀態，通過器件輸入輸出端并接的功率傳感器將待測器件的功率參數傳輸到功率計，器件的射頻輸出同時傳輸到頻譜儀以測量器件的IM3或ACPR。測試系統的主控制平臺在程序控制下通過功率計自動讀取器件輸入、輸出、插入及反射功率。待測器件的輸出電流可以從系統平臺中的直流電源輸出并在軟件的運行下計算待測器件的功能參數 。

射頻（RF）放大器的主要測試參數為[1]：

二、影響射頻（RF）功率放大器的制程能力因素

隨著3G通訊協議中信號的復雜程度的不斷提高，為檢測器件在多個應用頻率下的工作特性，需要大量增加不同振幅下的測試點，從而造成單顆器件測試時間不斷提高，系統測試成本上升。利用6Sigma的“人/機/物/法/環”結構方法分析影響功率放大器制程能力的因素，針對可能的提高因素尋找改進機會。

人員：通過培訓提高操作人員熟練程度（已完成）/增加員工數量/提高加班率（需要人事部門批準）

設備：更新測試設備（需設備投資）/通過預先計劃縮短設備維護時間（已完成）

物料：調整工序間物料傳送流程（已完成）

方法：減少設備校準和數據收集項目（不可行）/改進測試程序和算法（需評估）

環境：改善測試系統布局（需投資）

通過以上的分析，可以看到有幾種方法可能對于提高測試制程能力有所幫助，但需要人員、成本的長期投入，其實際效果有待于評估。基于實際工作情況，采納“改進測試程序和算法”做為潛在的制程能力改進環節，因其對現有狀態無需進行大量改變和投資，可行性較高。

三、測試程序的運行時間的量化評估

在確定“改進測試程序和算法”為潛在改進環節后，如何獲取整個程序運行中每個操作步驟的時間分配成為客觀檢測當前程序運行狀態的首要問題。通過VB系統軟件編制了測試時間監控程序（Time Point）與系統測試程序并行執行，通過靜態地址訪問系統每個外設GPIB接口的數據傳輸信號，實時記錄測試程序的工作狀態和運行時間。由于監控程序始終工作于系統后臺，對主程序的正常運行不產生任何影響。

為檢測Time Ponit 程序的穩定性，通過6 Sigma 方法中的測量系統分析[2]工具進行重復性和可再現性評估。測量系統分析實驗設計采用樹形結構，從測試系統/器件/測量讀值三個層次進行實驗。隨機選擇3臺測試系統，三組同型號待測器件在不同的測試系統下進行器件射頻性能測試，每個器件在同一系統下不連續重復測試兩次，記錄相應測試結果。利用統計分析工具Minitab進行實驗重復性和可再現性分析，結果顯示此監控程序的穩定性Gage RR= 9.94%，滿足測量系統<10%的穩定性標準，即此程序穩定。

利用Time Point程序對于不同工作頻率下器件的測試時間進行測量，每種樣品量大于2000顆，計算器件平均測試時間。例如：2Ghz產品測試時間為19秒，CDMA / WCDMA單顆器件測試時間為30秒。

對于已測量出的單顆器件總體平均測試時間，包含多個測試參數的加載、測量、結果的傳輸、保存等環節，通過6 Sigma的變異源分析（SOV）方法可以分析諸多環節中的時間分布狀況和時間使用上的差異。實驗方法同樣采取樹形實驗設計結構，分別以測試項目/器件/單項測試時間作為三個層次，不同參數測試下不同器件的多次重復測試結果反映出不同參數測試時間需求的差異。通過多變異圖的分析，測量的變差來源于不同測試項目所占用系統時間的差異，期中Pout （器件輸出功率）所花費的時間大大超過其他參數的使用，可以視為主要的改進機會。

四、當前測試程序的算法分析

分析當前功率放大器的測試方法：測試系統對每一顆器件設置器件應該達到的目標輸出功率 （直流電源加載偏壓，系統逐漸達到目標輸出功率）功率計測量器件輸入功率和反射功率系統控制平臺計算器件的各項功能參數頻譜分析儀根據器件實際輸出信號測量IMOD/IM3、ACPR。

在半導體大規模制造生產中，同類產品的晶圓的制造工藝及檢測標準是一致的，同型號產品保持相近的電性測試水平，理論上器件間的實際輸出功率只存在微小的差異，且此差異下器件的增益斜率是線性的。在此基礎上，可以改進測試算法以減少測試系統的目標功率設置過程。建議改進過程為：系統計算每批產品中第一顆器件的實際輸出功率與目標功率間的增益斜率（直流電源加載偏壓，系統逐漸達到目標輸出功率）對于第一顆器件后的所有后續器件，功率計測量器件在目標功率下的實際輸出功率、輸入功率和反射功率 （實際功率與目標功率間的偏差應在0.5分貝以內）根據第一顆器件的增益斜率，計算后續測量器件的輸入功率和反射功率的補償，從而修正參數根據修正的參數計算和測量待測器件的各項射頻參數。如果第一顆器件的實際輸出功率的增益斜率超出理論范圍，則系統提示再測試3顆器件的實際功率并選取中位數（數值排序后位置居中數值）與目標功率計算斜率，以確定第一個器件的正確性。如第一顆器件數值異常，重新選取一顆材料做為參考器件，計算增益斜率。在測試過程中任何器件的功率偏差超出0.5dB，系統將提示異常，待整批物料測試結束后重新復測，以確定其測試的正確性。在本批器件測試結束前復測第一顆器件，結果與開批時數據比較以確定系統的穩定，偏差控制在+/-0.2dB范圍內。參考器件的增益斜率將被系統自動顯示和保存，便于同種產品長期測試跟蹤。對于不同批之間的增益變差可反映產品晶元的穩定程度。

五、建議測試程序的分析

基于以上算法描述，建立新測試程序模型（功率掃描算法）。選擇2Ghz產品進行建議程序的測試 。測試條件：同一器件、同一測試系統、同一測試電路，在新老測試程序下分別連續測試50次。實驗結果顯示第一顆材料在新建測試模型下的測試時間比現有程序時略有延長，因為系統需要計算功率增益斜率。之后的器件測試顯示新模型下的單顆測試時間縮短20%。測試結果直觀比較偏差在2%的范圍內。同樣的方法在W-CDMA器件測試中顯示測試時間縮短可達到25%。

從測試時間的角度可以看到，建議測試程序的器件測試時間比當前情況有明顯縮短。同時需要通過統計學的方法確認新模型是否會對器件的功能特性發生影響。選擇900Mhz，2Ghz 和WCDMA產品利用統計學中的1-Std方法進行新測試程序的功能性能評估 （衡量器件測試參數在新老測試程序下的差值與0之間的差異）。測試方法：同一批器件在同一測試系統、同一測試電路，在新老測試程序下分別測試，并收集數據。測試樣本量為每種產品300顆。從數據分析的結果看，兩種測試程序的差值相對于0點的P值>0.5，即不同測試程序對于相同器件的測試結果無顯著差異。從而在理論上保證了新模型的有效/可靠性。

為保證新建模型的長期穩定性，建立了相關的監控程序以保證在長期運行下的系統偏差在受控范圍之內。（建立系統的標準輸入檢測程序，輸出檢測程序，直流輸出檢測程序，相關操作及維護文件）。下圖中描述了監控器件在新程序不同時間點下的制程穩定性。測量點符合統計制程控制需求。

六、新測試模型的使用和效果

新測試模型的使用可以提高現有測試系統的單位產出率10～15%。項目改進投資較少，只需在測試平臺安裝VB系統軟件。在6個月的系統跟蹤使用過程中系統運行穩定，產品質量符合測試標準要求。年可節省360小時測試時間直接測試成本降低35K美金/年，達到預期改進效果。

參考文獻：

[1]Behzad Razavi.射頻微電子學（中文版）[M].北京：清華大學出版社，2005：18-20.

[2]馬林.六西格瑪管理[M].北京：中國人民大學出版社，2004.