三重实验室并行研发架构加速磷化铟示波器诞生

杜吉伟 安捷伦科技有限公司 (初稿发表于中国电子商情)

       2010年4月27日，安捷伦科技全球同步推出高达32GHz模拟带宽的示波器，惊人之处在于它既没有使用DSP(数字信号处理)也没有使用DBI(带宽数值内插)技术来提升带宽，而是在半导体制程领域实现突破，做出32GHz带宽的前置放大器独立芯片，避开了那些使用数学处理或下变频处理所带来的副作用。

        产品甫一推出，便引起业界很大轰动，尤其是磷化铟技术应用在实时示波器领域，在模拟带宽、本底噪声、固有抖动、探头技术等方面所建立的新标杆。这篇文章介绍这些新标杆背后的组织架构能力。

        磷化铟示波器的诞生，背后是三级并重的研发实验室，最上层是中央研发实验室，着力于新的架构和突破性方法的研究，其成果至少可以覆盖未来3到10内的技术需求，比如几十个GHz高速模数转换器单芯片，如何使用CMOS这种低功耗技术来实现；中间一层是技术中心，着力于将研究中央研发实验室的技术成果，尤其是若要实现产品化，其中间的技术差距如何解决，一旦选定一个项目，要花2到5年的时间完成，比如6个高带宽的磷化铟模拟芯片；最后一个研发实验室才是产品的研发， 包括封装并焊接到PCB(印刷电路板)上，并同时解决EMI(电磁干扰)/EMC(电磁兼容)方面的要求，将示波器前置电路采集到的1280Gb/s的海量数据传递到DDR(倍数据速率)内存管理子系统，FPGA软件、Windows平台分析软件等。

      和业界同行不同的是，安捷伦科技拥有自己的芯片定制生产中心，就是前面讲的技术中心，位于 加利福尼亚州的Santa Rosa ，占地9000平方英尺，聚集了在工艺制程、模型设计，半导体等方面的射频微波工程专家，90000 X 系列示波器中的六个新的磷化铟模拟芯片，就是在这里诞生。

图1：安捷伦科技磷化铟半导体工艺和同行的区别

        图1显示出目前高带宽实时示波器前置放大器芯片采用的半导体工艺制程技术，最下面的曲线代表今天我们见到或使用的高带宽实时示波器芯片工艺，采用第三方公司的，是一种切换(On-Off)频率在100GHz~120GHz范围内的三极管技术，该技术能实现的前置放大器最高模拟带宽目前是16GHz。安捷伦科技90000 X系列示波器的前置放大器芯片内部三极管切换频率达200GHz，模拟带宽高达32GHz，而且该技术可以扩展到更高的性能，三极管切换频率可扩到350GHz。新的InP DHBT工艺在比现有技术提供大的多的电流密度范围内的同时，三极管切换频率保持在很高的水平，共基极模式开态击穿压(BVcbx)发生在“集电极—基极电压为9 V，集电极电流为J_C = 1.3 mA/μm2”时，共发射极模式开态击穿(BVceo) 发生在“集电极—发射极电压接近7V” 时。这种技术使得可用的电压幅度提高2倍以上，好处就是减少了所需增益电路的级数，脉冲失真容易控制，线性度和速度方面的可用裕量更大，信噪比更高，简化设计，提高性能，再加上磷化铟半导体材料本身保证在高频处幅频特性更为平坦，为90000 X的优越性能奠定基础。在90000 X产品推出100天左右的时间，也就是2010年8月9日，泰克公司宣布其未来的下一代示波器将和IBM合作，采用8HP锗硅技术，宣称有机会实现30GHz带宽，性能可以和磷化铟技术接近，但要在可以电压幅度小一倍的前提下，达到类似的性能不是一件容易的事情，尤其是芯片制程和封装技术不在自己手里的前提下，估计可以先将目前的示波器放大器带宽做到20GHz，超过20GHz带宽也许将不得不采用DBI数字带宽交织折衷技术；力科公司和泰克一样在高端没有自己的晶圆和封装厂的情况下，采用和IBM合作的策略，持续依赖锗硅技术。

　　安捷伦技术中心拥有生产磷化铟芯片的半导体技术，包括各种无源器件( 薄膜电阻、金属－绝缘－金属 电容)、晶圆过孔、多级互联等。下图就是磷化铟HBT(异质结双极晶体管) 3级金属互联。

图2 ：安捷伦技术中心的 InP HBT(异质结双极性晶体管) IC (3级金属互联)

        安捷伦技术中心的努力，使得90000X磷化铟示波器的可生产性大大提高，造成晶片成品率损失的原因主要有程序错误、晶片破裂、工艺和/或仪器问题。所有晶片工艺环节都由具有自动处理晶片功能的设备完成，以最大限度的减小人为因素造成的片与片、批与批之间的差异，具体的工艺步骤需要不断调整输入参数（例如，每一次要根据测试得到的目标层厚度进行离线计算），安捷伦长于射频微波技术，但示波器毕竟是不同的，它是一种宽带仪器，科罗拉多和加利福尼亚两个地方的专家在一起合作，反复调整参数，才有了今天的32GHz模拟带宽的磷化铟前置放大器芯片，这不是一朝一夕的成就，其实早在6年前，安捷伦科技已经将磷化铟用在了误码率分析仪和信号分析仪中。

        有了芯片只是实现高性能实时带宽示波器的第一步，稍后，我们会介绍如何讲射频微波等技术讲多个芯片封装到一个模块中。

        我们可以用树形理论作为本篇的结束语，根据第三方调研公司, PrimeData的数据，安捷伦科技已经连续8年保持示波器销售增长率全球第一的位置，给同行的压力越来越大，这与其组织架构能力是分不开的，以树形理论诠释，其核心能力在中央实验室，没有利润压力只需储备技术，核心产品在技术中心，最终的产品由各个业务部门整合驱动。以磷化铟技术为例，安捷伦的技术中心在多年前已经将它产品化，不过是用在高端网络分析仪、频谱仪和误码率分析仪上，90000 X系列实时示波器产品推出之前，只是在现有的产品(即芯片制程)上，优化修改推出适合的示波器芯片，由示波器工厂研发出最终的32 GHz带宽实时示波器。如果没有技术中心的核心产品，只能采用DBI混频器或DSP这种没有办法的办法来拼凑出超过16GHz带宽的示波器，如果安捷伦这样做，就会失去核心竞争力，这正是安捷伦的树形架构所避免的。

图3 ：树形理论支撑安捷伦示波器业务的长足发展

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