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IC手记 • 点沙成金的半导体行业

发布时间:2021-02-03

浏览次数:32

2021开篇寄语

集成电路(Integrated Circuit),被誉为人类最伟大的成就之一,我们用地球上储量丰富的硅元素,造就了这个星球最高水准的科技!
如果要评选2020年的年度科技关键词,“芯片”一定是最热门的候选之一,成为现象级词汇。而随着人类科技的不断进步,我们有理由相信,芯片领域注定是最热的科技赛道之一。
在这样的背景下,是德科技的系列线上栏目IC手记孕育而生,在往后的一段日子里,我们会为大家介绍半导体行业的相关知识,追逐技术热点,介绍新技术测试方案。

      作为新年的开篇,我们也在文末为大家准备了大礼包,IC届第一本“IC测试宝典”,囊括芯片测试全方案的工具书,5G mm-wave PA技术与测试,VXT-III,VXG,UXA,PNA-X等一系列是德科技黑科技介绍。

半导体简介

半导体是指导电性能介于导体与绝缘体之间的一种可控性材料, 其导电能力受掺杂、温度和光照影响十分显著,进而可以制作各种半导体器件和集成电路(IC)。
半导体按照功能划分为分立器件、集成电路(IC)、传感器和光电子器材四大类,如图1。其中集成电路(IC)占据了80%以上的份额,为半导体的支柱性产业。芯片,特指封装好以后的集成电路。

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图1 半导体功能分类

半导体行业发展历史

在介绍半导体行业的发展历史之前,我们先介绍下目前主流半导体行业的两种运作模式

 IDM(Integrated Device Manufacture整合组件制造商)模式:以Samsung、Intel等为代表,集设计、制造、封测于一身;

2   垂直分工模式(图2):芯片设计公司(Fabless)负责芯片的设计,设计好的芯片版图交由晶圆厂(Foundry)进行制造,加工完成的晶圆交由封装测试厂(OSAT)进行切割及封装等工序,每一个环节由专门公司负责。垂直分工模式将相对轻资产的设计和重资产的制造及封测分离,有利于研发的集中投入,加速技术突破,从而提升了整个产业的运作效率。目前垂直分工模式也成为了半导体行业的主流运作模式。

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图2 半导体产业的垂直分工模式


从上世纪50年代开始出现半导体产业至今,每一次技术的进步和需求的变化,都推动了半导体产业的蓬勃发展:

⚪ 1950到1970年代

1947年,贝尔实验室发明了第一只三极管,60年代,仙童公司开发了世界上第一款商用集成电路(IC),其后集成电路(IC)实现了规模化生产。英特尔(Intel)创始人之一的戈登·摩尔提出了著名的“摩尔定律”,意为当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升一倍。摩尔定律的提出,为后面几十年半导体行业的发展指明了方向,半导体行业也开启了高速发展的历程。

1970到1985年代

随着家电时代的繁荣,半导体产业模式也逐步转变为IDM模式,主流晶圆尺寸3-4英寸,制程1.2um – 0.5um,助推了日本半导体行业的发展。

⚪1985到2010年代
在PC及移动互联网领域需求的驱动下,垂直化分工模式成为行业的主要趋势,IC设计公司(Fabless)与晶圆厂(Foundry)相结合的方式开始成为集成电路产业发展的新模式,主流晶圆尺寸发展为6-8英寸,制程发展到40nm,也造就了东亚地区半导体行业的繁荣。

⚪2010至今

属于5G,AI,大数据/云,IoT的时代,在消费端需求及技术进步的双重驱动下,产业分工进一步细化,中国半导体行业开始崛起,更多的应用趋势正在推动半导体行业的进一步发展,主流晶圆尺寸8-12英寸,制程发展到了惊人的5nm甚至3nm,依然在不断进化。

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图3 半导体行业发展历史,
资料来源于公开渠道及市场信息

后摩尔时代

过去的半个多世纪,半导体行业一直遵循着摩尔定律(Moore's law)的轨迹高速的发展,如今我们的半导体制程节点已经来到了5nm,借助于EUV光刻等先进技术,正在向3nm甚至更小的节点演进,每进步1nm,都需要付出巨大的努力,单纯靠提升工艺来提升芯片性能的方法已经无法充分满足时代的需求,半导体行业也逐步进入了后摩尔时代。

在后摩尔时代,我们的技术路线基本按照2个不同的维度继续演进:

“More Moore”:继续延续摩尔定律的精髓,以缩小数字集成电路的尺寸为目的,同时器件优化重心兼顾性能及功耗。

“More than Moore”:芯片性能的提升不再靠单纯的堆叠晶体管,而更多地靠电路设计以及系统算法优化;同时,借助于先进封装技术,实现异质集成(heterogeneous integration),即把依靠先进工艺实现的数字芯片模块和依靠成熟工艺实现的模拟/射频等集成到一起以提升芯片性能。


测试技术分享


—— 5G宽带PA(功放)测试

今天的测试技术分享,我们给大家带来的是5G sub-6/mm-wave PA技术简介及测试方法论。

PA技术的发展与演进:

PA作为通信系统重要的射频模块,直接决定了通信设备的性能,功耗及用户体验。尤其是进入5G时代,对PA的性能要求达到了前所未有的高度。值得一提的是,在过去短短的十几年,PA技术得到了迅猛的发展,如下图PAFEM/RFIC 架构的变化。

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图4 PA架构发展

从2008年至今,PA已经从分立式模块(Discrete integration),进化成了高度集成的RF/MM集成单片(On-chip mmWave Front-end)。而GaAs,InP,GaN等第2,3代化合物半导体工艺技术的大量采用,也极大提高了PA的性能,如下图

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图5 PA工艺总结

技术的革新与工艺的发展,带来的是PA的性能及功耗的迅速进化,同时也为测试带来的巨大的挑战,PA的测试以复杂度高,性能要求高著称,测试项极其繁杂:
基本参数测试:
EVM, Channel power, ACP, IM3, Harmonics, Gain, Isolations, Matching, etc.
优化性能测试:
ET/DPD, Noise Figure,Multi-Band
应用场景测试:
mm-Wave和宽带应用,更高集成度的on-wafer在片测试,基于先进封装的OTA测试。

如此复杂的测试如何完成?

是德科技为小伙伴们提供了从研发到生产的全套解决方案。

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图6 是德科技PA测试家族

研发端,基于PNA-X的射频全参数测试


  • PNA-X,是德科技最高性能网络仪系列,频率高达120GHz,通过频率扩展器可以进一步扩展到1.5THz;
  • 一台PNA-X代替传统的多套测试系统,实现完整的全参数测量,包括小信号S参数;增益压缩;IMD的扫频测量;IMD的频率间隔扫描;噪声系数;谐波;频谱杂散;
  • 单次连接,多次测量的On-wafer测试,通过Cal All功能,所有通道只需校准一次,简化了校准流程。

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图7 基于PNA-X的测试方案



研发端,基于VXG及UXA/PXA的高性能DPD测试方案


  • VXG,全球首款具有2 GHz调制带宽的双通道44 GHz矢量信号发生器;
  • UXA,高性能X系列信号分析仪,具有2 Hz至110 GHz的频率范围,适用于5 GHz的宽带应用,及相关领域的毫米波应用;
  • N7614C ,用于功率放大器测试的Signal Studio软件,测量AM-AM和AM-PM曲线;在实际测试中,使用N7614C自带的DPD算法,可以使校正后ACPR 14dBc以上。


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图8 基于VXG及UXA/PXA的
高性能DPD测试方案

研发与生产,基于VXT-III的一体化的测试方案


  • VXT-III,基于PXIe架构的高性能,高带宽,灵活配置收发信机;
  • 380 MHz to 6/8/12 GHz 频率覆盖,400/800/1200 MHz带宽可选,>+20 dBm的发射功率;
  • 支持WiFi 6E,UWB,5G等热门应用;
  • 可灵活配置的多通道测试方案。

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图9 灵活配置的VXT3系列


高效的M980xA PXI多端口网络分析仪测试方案


  • 真正全端口VNA;
  • 每端口有独立接收机,全交叉S参数,全端口校准;
  • 最佳测试速度,精度和稳定性,配置灵活。

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图10 PXI多端口网络分析仪


除此之外,是德科技还有包括毫米波网络仪N5290A/91A,基站测试系统S9130A等多种方案供大家选择。


后记


5G/AIoT/大数据等技术的驱动,加之需求端也在不断丰富,可以预见,集成电路IC/芯片将会在未来的很长一段时间,站在时代的风口浪尖。作为全球测试行业的领导者,是德科技提供芯片测试领域全面以及专业的方案,我们也会不断的陪伴大家一起成长,一起感受时代进步的脉搏。

作为IC测试手记,2021年的开篇,我们为大家准备了内容丰富的大礼包供大家下载学习,包括IC测试宝典,5G宽带PA(功放)测试方案,是德科技新产品PNA-X,VXG,UXA,VXT-III介绍等,更有神秘抽奖在等待大家。

在往后的日子里,除了会不断给大家普及IC行业的知识外,我们会定期为大家带来当前的热门技术及技术介绍,也会不断为大家介绍是德科技最新的黑科技,5G芯片,AI芯片,硅光芯片,WiFi-6E芯片,MMIC,高速IO芯片,DDR5,PCIE-5,USB-4,MIPI,UFS敬请期待…


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------转自是德科技