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降低 5G 智能手机中的毫米波测试成本,中国机器人网,vrovro.com
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降低 5G 智能手机中的毫米波测试成本
2022年05月06日    阅读量:     新闻来源:中国机器人网 vrovro.com  |  投稿

智能手机从 4G 迁移到 5G 为毫米波频段带来了更宽的带宽、更快的数据速率和更高的生产测试成本。大批量制造 (HVM) 零件的设备和运营成本较高,迫使制造商重新考虑自动化测试设备 (ATE) 的经济性。从分析测试成本中获得的见解甚至可能为未来几代设备设定标准,这取决于在当前斜坡中吸取的教训中国机器人网vrovro.com。本主题的核心是毫米波技术商业化的 ATE 财务分析。这种分析将直接影响生产设施需要多少测试能力以及有多少测试站点可以最大限度地降低总成本。


智能手机无线

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图 1. 5G 智能手机依赖于许多连接,这些连接固有地增加了复杂性。


图 1显示了典型的 5G 智能手机。适合当今设备的无线链路数量,支持使用主要导航、连接和蜂窝技术的应用程序,是一项令人印象深刻的工程壮举。同样令人印象深刻的是其他技术,包括显示、数字和电池。


射频架构

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图 2显示了 5G 智能手机前端信号分布的演变,分为 6 GHz 以下和毫米波。低于 6 GHz 的频段具有低、中和大型链路(在带宽方面)。与毫米波技术可能实现的大规模链接相比,即使是最大的链接也相形见绌。


5G带宽


图 2. 5G 射频前端分为两类:6 GHz 以下和毫米波。一般来说,低于 6 GHz 的链路提供有用的数据速率,而毫米波链路的数据速率能力要高出 10 倍。


虽然许多工程师了解 sub-6 GHz,但毫米波链路对于 5G 来说是新的,需要更仔细地检查才能了解商业化的技术和经济性。

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图 3显示了启用这些 5G 链路的 RF 架构的详细概述 [Ref. 1]。请注意调制解调器、5G-IF 链路和毫米波收发器(包括波束成形天线)的集成增加了毫米波复杂性。毫米波天线需要战略性放置,以尽量减少手的阻塞;5G-IF 功能支持链路预算以获得最佳信号质量。


5G智能手机中频链路


图 3. 这种射频架构揭示了在 5G 智能手机中支持毫米波技术的关键芯片和功能,包括与前端 (FE) 的高速数字 (HSD) 连接。通过这种方式,RF 到比特被编织到 RF 架构中。


比较射频架构,6 GHz 以下频段是基准,毫米波链路为 8 GHz 至 20 GHz 测试引入了新的中间先决条件 5G-IF。这样做会大大增加测试计划的复杂性(测试持续时间、测试人员资源、方法和校准等等)。附加复杂度与低于 6 GHz 到基带(RF 到比特/模拟)有关,而 mmWave 在最终到达基带之前是 RF 到中频 (IF)。更复杂的是,毫米波链路部署在 5G 智能手机内的多个位置,以实现空间多样性。


5G 智能手机

的兴起不幸的是,毫米波链路增加了所需的测试量,因此对经济性产生了巨大影响。在发布时,5G 智能手机提供两种高级配置:经济层和高级层。高级层包括毫米波。图 4显示了泰瑞达开发的 5G 智能手机预测,预计到 2025 年每年将出货 12 亿部。RF 架构灵活地支持经济型和高级配置,并且可能扩展到与 4G 智能手机一致的出货量水平。请记住,具有毫米波链接的手机比例会随着时间的推移而增加。


智能手机出货量

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图 4. 泰瑞达开发的 5G 智能手机预测量化了推动毫米波商业化经济的半导体内容(即芯片)的数量。今天,只有高端智能手机包含毫米波,而其余的都是仅具有低于 6 GHz 频段的经济配置。


将毫米波添加到智能手机会增加制造成本;挑战在于如何将经济影响降到最低。有许多经过验证的技术,例如减少测试时间,但这些技术缺乏克服毫米波费用的影响。考虑增加站点数量,这种新硅将受益最大。作为基线,今天的 HVM 已经在给定数量的站点(例如,x4 或 x8)上进行了标准化。下一节探讨增加站点的财务影响。


测试机队

的经济性 部署测试机队的经济性是众所周知的,因此重点是对涉及站点数量的情景进行财务比较 [Ref. 2]。可以预见,这种单一配置选择对整体经济性的影响最大,这就是为什么在增加新硅片时应该给予最多考虑的原因。


简要介绍一下,这些高级经济指标如下:


资本设备费用(CapEx)。这是与获得必要的测试设备(例如,测试仪和处理程序)相关的初始费用。资本支出通常会在与设备寿命相对应的五年内贬值。

运营费用 (OpEx)。这是与设备运行相关的年度运营费用,其中可能包括为特定被测设备 (DUT) 定制测试仪的耗材。

测试总成本 (CoT)。典型生命周期内所有车队费用的总和,包括资本支出和运营支出,除以出货量。

测试站点 CapEx OpEx


图 5. 随时间推移的累积机队成本显示,OpEx 比 CapEx 对经济的贡献更大。请注意轨迹的差异表明,将 OpEx 优化为优先事项将对总测试成本产生更大的影响。


对于图 5 和图 6中的财务比较,我们考虑封装 RF 收发器设备的最终测试(即,尽管不是晶圆,但经济性相似)。该方法是评估宏观洞察力的高级方法。作为典型的用户场景,每年的单位与 5G 智能手机单位出货量成正比,其中 mmWave 变体具有 x3 或 x4 链路。出于本财务分析的目的,我们的目标是每年生产 1 亿台设备,每台设备的标称测试持续时间为 30 秒。车队折旧期为五年,而典型寿命为 10 年。x8 与 x16 站点的并排比较应该会为如何为新的硅坡道配置测试机群提供建议。实际结果和配置各不相同,因此请在概念基础上应用以下要点。


图 5 显示了 x8 站点的基线车队成本,其中累积结果是随时间计算的。OpEx(蓝色)和 CapEx(绿色)的年度细分表明,OpEx 从第一年开始对总 CoT 的影响最大,并确定了随后几年的轨迹。相比之下,由于该费用的折旧性质,资本支出受到更多限制。


x8 和 x16 测试站点的成本


图 6. x8 与 x16 站点在 CapEx/OpEx 细分方面的累积比较。请注意 x16 方案中较低的总费用。要点是,随着站点数量的增加,费用会发生重新分配:OpEx 费用在总 CoT 中占主导地位,OpEx 的减少与测试人员、处理程序和消耗品的减少成正比。


同样在图 6 中,x8 和 x16 案例的累积车队计算支持并排比较。


在第 10 年年底,总出货量为 10 亿(1 亿/年乘以 10 年),因此总 CoT 计算很简单:


x8 站点产生的总 CoT 为 0.18 美元,总成本为 1.8 亿美元(CapEx/OpEx 比率为 27%/73%)。


x16 站点产生的总 CoT 为 0.11 美元,总成本为 1.15 亿美元(CapEx/OpEx 比率为 42%/58%),总 CoT 减少了 39%。

 


在此比较中,迁移到 x16 站点可以终生节省 6500 万美元。


测试机队规模和站点数量


图 7. 单位出货量为 1 亿/年(测试持续时间为 30 秒/DUT)的测试机群规模。与 x8 站点相比,将站点增加到 x16 具有将测试人员数量从 x18 减少到 x9 的净效应,这对 OpEx 产生了巨大的影响。


在图 7 中,将 x8 与 x16 站点进行比较时,队列中的测试人员数量减少了 38% 以上。引入并行测试效率 (PTE) 的概念作为量化并行测试持续时间独立性的机制非常重要。理想情况下,100% 转化为完全独立。通常,PTE 在 97% 到 99% 的范围内,如图 7 迹线叠加所示。关键点是每个站点都需要专门的测试人员资源来提供更多站点的经济效益。此外,这种 PTE 洞察力表明,随着站点数量的增加,影响会更大;事实上,在 x16 站点,1% 的 PTE 增量相当于约 10% 的机队规模增量。


在下一个粒度级别,图 8 中的经济结果为 x8 到 x16 的站点每小时覆盖单位 (UPH) 和 CoT,并考虑了 PTE 的影响。请注意 PTE 如何随着站点数量的增加而产生更大的影响;事实上,在 x16 站点,1% 的 PTE 增量相当于约 20% 的 UPH 增量。


测试站点与成本


图 8. 由于减少了测试人员的数量,CoT 表现出如上所示的减少特性,这与更高站点数导致的每小时单位数 (UPH) 改进成正比。


结论

向 5G 智能手机添加多个 mmWave 链路的复杂性对 RF 架构的影响与现有的低于 6 GHz 的实施方式相似,但比例更高。因此,生产测试的经济性是相似的,并且预测新硅的总 CoT 会以高得令人望而却步的增加。通过增加站点,有可能抵消部分这种额外的毫米波费用,甚至可能加速毫米波技术的商业化。


增加测试站点数量将对车队经济性和总 CoT 产生最显着的影响。这种影响与减少测试人员的数量有关,并在此过程中按比例减少 HVM 所需的 OpEx(它在总 CoT 中占主导地位)。这可能违反直觉,但是对于测试人员、处理程序和消耗品的显着减少而言,非常需要更大的资本支出以每小时产生更高的单位,这会相应地减少运营支出,尤其是在生命周期计算的情况下。


从新的硅片角度来看,这些结果表明测试工程师应该优先考虑他们的总体 CoT 活动,如下所示:


以 UPH 为重点,最大限度地减少运营支出,包括考虑最大的并行测试效率 (PTE)。

尽量减少测试时间。

最小化资本支出。

这种用于 HVM 规划的整体和生命周期方法可优化配置测试机组以提供最佳经济效益。

智能手机遵循摩尔定律 18 个月的节奏。此外,随着毫米波技术的出现,新芯片将继续以向消费者提供增强体验的方式发展。保持增长轨迹是一个不断追求降低成本的周期性过程。ATE 并行性和效率是推动 HVM 半导体生态系统增长的重要机制。


标签:工业设备 机器人机械应用技术中心设备与仪器
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