​半导体制造商的RF自动化生产测试策略

​​ 5G-Advanced、6G研究、超大型MIMO、高级RF前端集成和AI辅助无线电等颠覆性技术驱动都推动了RF半导体产业的持续快速变革（图1）。这些趋势要求从硅和封装到系统行为的每一层增加设备复杂度。与此同时,市场压力迫使制造商减少测试时间、成本和人员数量。结果是:设备验证越来越难,生产测试预算越来越少。

图1.激励对新的RF产品测试方法进行投资的市场驱动因素包括设备复杂度提高、产品发布时间缩短以及人员减少。  

与数字IC不同，RF设备需要模拟、RF和通常为无线(OTA)测量，这些测量本身更耗时且对变化更敏感。校准复杂度随频率、带宽和天线数量增加。传统的“测试一切”哲学在经济上越来越不可行，迫使采用新方法在产品生命周期内测试架构、覆盖率和重用性。

​​NI RF生产测试解决方案可满足当今生产环境的严格需求，从NI 半导体测试系统 (STS)等完全交钥匙ATE系统到使用NI PXI硬件和软件构建的超定制模块化RF测试台。

​NI系统可帮助客户选择与其产品、批量和供应链战略最匹配的集成、标准化和定制级别，而不是强制单一模型。这种灵活性使得NI平台尤其适用于需要测试体积换算的RF、混合信号和MEMS设备，但不足以为传统的“大铁”测试仪带来利润。

​本白皮书主要介绍RF生产测试决策，比较客户选择的原因：

• ​统包ATE解决方案，如NI STS
• ​使用NI PXI产品创建的DIY RF自动化生产测试系统
• 结合NI PXI系统和第三方ATE的栓接策略

​​在制定RF生产测试策略时，制造商必须确定如何以平衡产品复杂度、体积和财务目标的方式构建RF测试。除了简单的通过或失败质量控制，RF生产测试决策直接影响盈利能力、良率及上市时间。对于许多RF设备，测试成本占总制造成本的很大一部分，尤其是对于大批量、低边际组件（如RF开关、放大器或集成前端模块）。

​RF生产测试必须平衡吞吐率和精度。输出功率、相邻通道功率(ACP)、误差矢量幅度(EVM)、谐波失真、噪声系数和线性度等测量对环境条件、校准和仪器质量敏感。随着设备架构向更宽的带宽和更高的频率发展，误差容忍度将变窄，而变化敏感度将提高。

NI STS为RF、混合信号和MEMS半导体设备提供交钥匙ATE解决方案。STS基于PXI仪器构建，但封装为工业测试头，可直接集成至大批量半导体生产环境。

NI STS的主要特性包括：

• 紧凑的封闭测试头，适用于工厂车间
• 与晶圆探针、处理器和操纵器的原生集成 
• 标准化停靠、负载板和弹簧引脚接口
• 用于测试开发、执行和数据处理的预集成软件堆栈
• 用于大批量吞吐率优化的多站点测试功能

STS是传统专有ATE的成本优化替代方案,可提供外包半导体组装和测试(OSAT)供应商和大批量集成设备制造商(IDM)工厂所需的机械稳定性、可靠性和标准化。 

​​ DIY RF自动化生产测试解决方案位于频谱的另一端，它由NI PXI仪器、控制器、开关和软件构建。测试开发工程师通常在内部或在系统集成商的帮助下构建RF PXI生产测试系统。这些系统通常表现为：

• 自定义19英寸支架
• ​台式生产测试器
• 与特定待测设备(DUT)类型紧密耦合的分布式PXI系统 
• 在生命周期阶段共享实验室到生产的混合平台

​DIY PXI的核心优势在于模块化和开放性。工程师只选择给定产品所需的仪器和功能，避免过度配置。硬件和软件可逐步升级，使系统可根据标准和产品需求进行升级。

​制造商通常会为RF产品组合选择DIY PXI自动化生产测试解决方案，其中：

• ​清楚地了解测试要求并保持稳定 
• 交易量大但利润紧张
• ​灵活性和快速迭代超过了完全标准化的需求

​尽管这些系统是高度自定义的，但它们通常包括以下关键I/O：

​机箱/控制器 

• PXIe-1095机箱:支持18插槽，可实现高密度、多通道设置，是需要多个仪器的复杂RF系统的理想选择。提供模块间的高带宽通信和同步。
• PXIe-8862控制器：配备8核Intel i7处理器，可实现快速数据处理和测试执行。高效处理计算量大的任务，如数字预失真(DPD)和RF信号处理。

​RF仪器

矢量信号收发仪(VST):在单个设备中集成信号生成和分析，减少硬件占用并简化测试设置。

• ​NI PXIe-5860 VST:宽带宽（高达1 GHz）的双通道VST，频率覆盖范围高达8.5 GHz，适用于Wi-Fi 6/7和5G New Radio等现代无线标准。

• ​NI PXIe-5842 VST:支持更高的瞬时带宽(2 GHz)和扩展的频率范围(高达54 GHz)，是雷达、卫星通信和毫米波测试等应用的理想选择。 

​矢量网络分析仪(VNA)

• ​NI PXIe-5633 VNA:提供S参数和谐波失真测量；除独立功能外，该仪器还与VST以“直通模式”运行，以启用同步调制信号和S参数测试。

   

​数字码型仪器

• ​NI PXIe-6571:提供高速数字I/O，用于控制SPI和MIPI RF前端等数字RF接口，并支持信号生成和捕捉，确保与DUT的可靠通信。 

​

直流电源/源测量单元(SMU)

• NI PXIe-4147 SMU:启用每通道高达8 V和3 A的精密直流电源，非常适合为被测RF设备供电。包含快速瞬态响应和精确电流监控等高级功能，对于设备特性分析至关重要。
• NI PXIe-4139 SMU:提供更高的电压（最高60 V）和更低的电流（1 A），适用于需要更高电压偏置的设备。

• ​NI PXIe-4162/3:具有多个通道的高密度SMU，适用于扩展多个待测设备设置。支持并行测试环境的精确源采集和测量。 

​

数据采集(DAQ)

​DAQ为辅助系统（如环境腔或机械夹具）提供外部控制和监控。它们将非RF信号集成到测试工作流程中，例如温度、振动或物理状态监控。此外，DAQ可确保RF和非RF系统的同步操作。

​​生产量和产品组合

​大批量、高混合的生产环境受益于标准化ATE平台。NI STS在以下方面表现优异：

• ​多个产品共享同一个测试基础架构
• 重新培训操作员或重新认证测试单元成本高昂 
• ​OSAT部署需要跨站点的可重复性

​DIY PXI适用于较窄的使用场景，例如：

• ​少量RF产品，容量极大
• ​专为单类设备优化的专用测试器 
• ​吞吐率稍有提高可显著节省成本的情况

​供应链战略：IDM vs. OSAT

​供应链策略严重影响RF生产测试选择。由于机械兼容性、可维护性和标准化工作流程，以OSAT为中心的生产更青睐于像STS这样的交钥匙ATE。内部IDM测试允许更自由地部署自定义PXI系统，尤其是在测试开发和制造紧密结合的情况下。

​许多大型RF半导体公司采用混合模式，在OSAT中使用STS，同时在内部为特定产品或生命周期阶段保留RF PXI自动化生产测试系统。 

​测试成本和资本效率

​业务领导者通常将资本效率视为RF自动化生产测试策略决策的关键因素。对于低边际RF部件，有利可图的测试操作与不可持续的测试操作之间的区别可能在于移除未使用功能的能力。

​与传统ATE相比，STS可降低集成风险、缩短生产工程时间、降低占地面积、电源和维护开销。DIY PXI系统在降低初始资本支出、仪器冗余和长期淘汰风险的同时,也带来了巨大的集成成本。 

​工程控制和适应性 

​DIY PXI生产测试解决方案提供高度定制性和面向未来的灵活性。它们可实现最大的工程控制，包括：

• 立即访问新的RF仪器
• 快速支持新兴标准
• 针对特定DUT行为定制的测试流程 

​作为交换，采用此策略的制造商必须承担大量的工程开销（图2）。 

​对于ATE采用者，STS在下列方面具有极大的灵活性：

• 生产稳健性
• 更快的换算 
• ​部署后减少对专业工程专业知识的依赖

图2.DIY RF PXI解决方案和STS ATE选项既有优点也有利弊。DIY方法提供了最大的通用性，但以可扩展性和维护为代价，而STS提供了可靠性和可扩展性，但限制了灵活性。

​

组织和技能注意事项

​预算削减和劳动力结构变化都推动了整个行业测试团队的空心化。这一不幸的现实也影响了RF生产测试的战略前景。

​STS等交钥匙ATE解决方案减少了对深度RF系统集成知识、定制机械设计和专业工作人员长期维护的依赖。另一方面，DIY PXI系统需要高技能的RF和测试工程师、强大的内部软件治理以及承担系统生命周期风险的意愿。

​一些组织有意选择STS，以节省设计和算法开发的工程带宽，而不是基础架构维护。 

大多数制造商选择优先考虑ATE、自定义APT或两者的某个比率的策略。但越来越多的制造商采用螺栓连接策略，将NI PXI系统与第三方ATE配合使用。

常见范例包括：

• 集成至现有ATE流的基于PXI的RF子系统
• PXI用于从主测试器卸载的复杂或新兴测量 
• 用作黄金引用或特征化关联的PXI系统

这种螺栓连接方法允许公司延长现有ATE投资的生命周期并引入新的RF功能，而无需完全替换现有的ATE平台。

由于其开放式软件模型和广泛的RF仪器生态系统，NI PXI特别适合该角色。

无论选择何种平台，减少测试时间都是普遍目标。影响RF生产测试的主要行业趋势包括：

• 测量压缩策略
• 基于统计和推理的测试
• AI辅助校准和测试选择
• 更加强调系统级KPI，而不是详尽的参数覆盖

STS和DIY PXI对这些策略的支持有所不同。STS提供结构化环境以大规模部署标准化优化，DIY PXI提供快速原型设计和部署激进的、特定产品技术的自由。

另一个不同之处在于测试平台如何映射至产品生命周期。DIY PXI通常涵盖设计验证、特征化及早期生产，而STS擅长大批量生产，制造生命周期长，可部署多个站点。

随着产品成熟，许多客户有意从DIY PXI过渡到STS，在更改机械和操作包装的同时重用测试IP。

RF自动化生产测试是半导体经济的核心。虽然生产环境需要更低的成本、更快的吞吐量和更小的团队，但新兴技术需要更复杂的设备。没有一个测试架构满足所有约束。

NI半导体测试系统等统包ATE平台可提供生产就绪的鲁棒性、标准化和可扩展性。这使得它们非常适合OSAT部署和复杂RF产品组合的大批量制造。相比之下，基于NI PXI构建的DIY RF生产测试系统具有无与伦比的灵活性、成本优化和适应性。这些定制是专用高运行引擎产品、内部IDM测试以及对新兴RF标准的快速响应的理想选择。

一些半导体制造商采用“螺栓上”模式：将ATE和螺栓上PXI子系统相结合，使测试策略与产品经济性保持一致。展望未来,AI辅助测试、基于推理的覆盖范围以及设计和制造之间的紧密耦合等趋势将进一步模糊ATE和模块化测试系统之间的界限。RF生产测试的成功取决于工程师在产品生命周期的合适点部署合适的架构。

RF自动化生产测试对于半导体盈利能力越来越重要。RF设备现在以更高的频率、更宽的带宽和更严格的容差运行，同时生产预算和人员也在减少。不存在适用于所有制造商的单一测试策略；成功取决于测试系统与生产量、供应链和产品生命周期需求的匹配。最终,选择本文涵盖的测试策略的正确组合是适应不断变化的生产需求和在半导体制造中取得持续成功的关键。

​​如需了解更多关于NI RF生产测试解决方案的信息，请通过sts@emerson.com联系我们的技术专家。

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