氮化镓功率放大器生产测试的独特挑战

Devin Morris, Roos Instruments

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随着5G的推出，新的无线电网络基础设施的一个重要环节是gNodeB基站的功率放大器（PA）。PA需要无故障运行，往往是在极端条件下，而且5G标准提出了更宽的带宽、更高的频率和更高的效率。因此，与移动设备中的射频前端相比，PA和组成它们的半导体器件具有更严苛的测试要求。

传统上，LDMOS是基站PA的首选工艺技术；然而，由于LDMOS在频率超过3GHz时性能会下降，SiC基GaN已成为一种有竞争力的替代方案，为高功率应用提供了明显的优势：其一是它的带隙比硅大，带来了更高的击穿电压和更高温度下的热稳定性；其次，与硅相比，SiC基GaN具有更高的导热性，这意味着在相同的工作电压下具有更高的效率，减少了散热的挑战。最后，GaN的击穿场明显高于Si，在失效前的电压处理能力是Si的10倍。这使得GaN器件在制造时，尽管功率密度较高，但芯片尺寸却较小。

这种工艺技术的优势却为鉴定射频GaN器件和MMIC的性能和稳健性带来了独特的测试挑战。由于GaN在基站PA中是相对较新的技术，生产测试是工艺表征、性能鉴定和可靠性评估的混合。与传统的LDMOS PA相比，GaN PA所需的更高的性能和独特的偏压增加了复杂性。本文讨论了测试系统如何解决这种复杂性。

偏压

与增强型LDMOS相比，GaN HEMT需要测试设备提供正漏极和负栅极偏压。虽然电压是传统的，但为避免损坏被测器件(DUT)或测试设备，电源的空闲状态电压和直流偏压的顺序是非常棘手的。作为耗尽型场效应晶体管，GaN器件在应用漏极电压之前，需要在栅极有一个负的掐断电压以保持晶体管关闭，然后在射频测试之前将栅极电压调整到正确的偏置电压。在测试结束和测试下一个器件之前，必须反向应用这个顺序。这就要求测试设备具有专门的排序和空闲状态控制，而且设备接口必须提供”故障-保护"，以防止有问题的设备损坏插座或测试设备。

与硅相比，GaN的导通电阻较低，击穿电压较高，因此需要进行高电压和低电流测试。表征击穿电压是很常见的，需要大于100V的电压，同时测量pA到nA范围内的电流。这种测试要求设备有快速和精确的反应时间，一旦超过击穿电压就中止测试，避免永久损坏或退化DUT。

微波测试

测试GaN射频器件的最大挑战之一是微波测试在评估性能方面的突出作用和要求。随着5G标准将频率推到3GHz以上，对输出功率、线性度和效率有严格的要求。这就要求生产测试环境要模仿传统的微波测试台。集成和模块化的综合微波自动测试设备（ATE）解决方案受到青睐（图1），而不是多种专用台式仪器或定制的负载板解决方案。这种需求导致了ATE架构的发展，它提供了与台式仪器相当的性能，同时提供可配置的测试资源，可根据应用定制，并具有灵活性，以满足不断变化的性能要求。这种能力可以处理一系列的微波测量任务，只需插入一套设备。

图1 集成微波测试能力的生产型ATE，一次插入就可全面测试PA器件。

测试生产线中的GaN PA的挑战是高射频功率、高频率和高测量精度的结合。这些因素影响了ATE配置、能力、接口和校准等多个方面。在设备方面，微波源和测量仪器已经从设备接口转移到ATE中的专用微波仪器，结合了频谱分析仪、功率计和矢量网络分析仪的功能。这种整合实现了广泛的频率覆盖和测试功能，并具有指定的测量和集成校准。它将仪器的复杂性从设备接口中移除，因此它作为高功率条件下的负载串并为专门测量提供信号，发挥了更针对特定应用的作用（图2）。

图2 ATE架构，信号源和测量仪器都在系统中，而不是在设备接口。

放大器的测量通常包括增益、增益平坦度、效率、邻道功率比（ACPR）、线性度（EVM）和其他线性，如P_1dB和P_3dB。对于5G PA，其性能水平和更高的频率要求使得校准更重要。虽然仪器和测量的类型将决定是否需要矢量或标量功率校准，但应了解每种与PA测试有关的好处和限制。

ATE校准

在功率精度至关重要的线性和效率测量中，标量校准具有优势。标量校准通常涉及一个带传感器的宽带功率计，以确定测量平面的信号功率。然而，功率传感器不能从源功率中区分出杂散或谐波信号功率；PA测试的高功率增加了尖峰和谐波的可能性。为了了解这些测量误差的来源，测试设计师必须评估测试系统的源失真、接收器的带宽和带外抑制。

矢量校准对相对测量有优势，如增益和回波损耗。校准能够纠正失配，并准确说明有多少信号被DUT吸收或反射，这可能会影响功率增加效率（PAE）测量的准确性。PAE需要准确测量PA的实际输入功率。矢量校准的挑战是涉及更高的信号功率。虽然PA的小信号模型更接近于50Ω的环境，但大信号特性可能有很大的不同，呈现出的电压驻波比会导致很大的峰-峰增益误差。这就需要在信号源中进行信号调节，以减少可能损坏测试设备或DUT的高反射。装置也必须反映实际的测试，并且是可重复的，因此校准可以准确地纠正设备测试期间的匹配误差。

校准参考平面应尽可能地接近DUT，以实现性能的准确表示。这意味着设备接口必须提供对微波源和测量端口的访问，并兼容连接到功率传感器和开路/短路/负载标准（图3）。支持单个仪器的多层校准软件、多仪器系统集成和设备接口的ATE具有优势。这种能力使ATE组件能够在生产测试车间有效而可靠地交换和更换。

图3 典型的大功率设备接口。

脉冲式直流/射频

由于GaN的高功率密度，器件的功率和热处理的上限必须合格。尽管GaN的热性能增强，但在生产测试环境中，散热是一个问题，原因是为晶圆上测试和大多数封装器件提供足够的散热装置是不现实的。因此，大多数测试使用脉冲直流和射频测量，这可以避免损坏或退化DUT。

例如，一个典型的P_1dB或P_3dB测量涉及到几个测试，都需要快速、稳定和可重复的测量来准确确定线性度。第一步是确定正常工作时的直流偏置条件，并确保其在预期范围内。在栅极和漏极偏置设定后，在一个或多个频率上对输入射频功率进行扫描，提供线性增益和压缩特性。由于工艺和封装的变化，扫描范围可以从5到20多dB不等，步长在0.5dB以下，以捕捉功率传输特性的线性范围和压缩。从测量的输出功率扫描中，提取出1dB和3dB压缩点的输入功率。

另一个重要的测量是效率或PAE，即PA的功率转换能力。效率被定义为射频输出功率与相应的直流输入功率的比率，以百分比表示；PAE在计算中减去了射频输入功率。虽然效率的定义简单明了，但测量可能较难，因为它依赖于几个基本测试。对于产品规格，效率通常是在多种功率条件下计算的。在生产测试中，测量通常分两步进行。1）输入功率的扫描，以描述PA的功率曲线，2）在特定的输出功率下进行射频和直流测量：在线性范围内，在1dB压缩和3dB压缩下。功率扫描的长度和仪器的速度都必须避免对DUT的加热，这既是为了避免器件的退化，也是为了在测量各点的射频输出功率时保持一致的热环境，这是确保效率计算的准确性所必需的。这就对仪器提出了以下要求：

·         该扫描需要一个脉冲射频源和几毫秒的测量捕获。

·         输出功率扫描的测量精度至关重要，因为第二通道的输入功率设置取决于测量的输出功率。对于线性功率范围内的效率测量，测量输出功率的±0.1dB差异几乎转化为效率的±0.5点差异。当PA处于压缩状态时，这种情况就更严重了，因为测量的输出功率每相差±0.1dB，就相当于效率相差±1点。

·         测试系统的源线性和测量可重复性将影响精度。

·         PA从高射频功率和电路中产生谐波，这是不可取的，而且在测量效率时经常被忽略或不考虑，尽管这是造成测量不确定性的因素。在设计测试装置时应考虑到这一点。对于准确的效率测量，窄带、调谐接收器比宽带接收器更好（见文末文字）。

总结

尽管存在本文所述的挑战，但目前的ATE系统在制造环境中提供了准确的GaN PA的微波测量，满足了生产中的测试时间、成本和可靠性要求。表1显示了最常见的PA测量可实现的测量重复性。

半导体工艺的发展将继续提高器件性能，而这些器件的生产测试仍将是表征和鉴定的混合。确保测试数据的质量对于减少工艺变异、提高器件产量和帮助预测工艺变化如何影响器件的可靠性非常重要。随着5G-Advanced和6G标准将工作频率提高，以及GaN器件技术将其优势扩展到更高频率，对测试的要求将继续提高。

表1 典型的ATE测量可重复性

当功率精度很重要时，首选调谐接收机

在对不同设置之间的测量功率进行关联时，功率计和调谐接收机之间往往存在差异。PA通常被驱动到压缩状态，这意味着在谐波中可能有很大的功率。调谐接收器只在所需频率周围的有限带宽上进行测量，并拒绝其他频率的信号。一个典型的功率计是未调谐的，它测量的是其工作带宽内信号的总功率。

例子：一个工作在5.6 GHz的GaN PA在11.2、16.8、22.4 ... GHz产生谐波。功率计反映的是其带宽内基波和所有谐波的总功率，而调谐接收器只报告5.6GHz的基波功率。虽然这两种测量在技术上都是正确的，但用户通常只想要带内功率。