测试设计套件加速“无晶圆厂到无实验室Fab-less to Lab-less”的转变

随着光子集成电路产量的不断增加，受传统测试实践的限制，工程师们开始转向测试设计套件来弥补这一差距。

作者：Beibei Wu和Chiara Alessandri

数据通信收发器需求的增长以及依赖人工智能和量子技术的应用激增，共同推动了集成光子学的显著增长。IDTechX 今年春季发布的市场研究报告估计，到 2034 年，光子集成电路(PIC) 市场规模将超过 200 亿美元。随着该行业的技术和市场强劲发展，目前的估值仅表明了集成光子学似乎能够实现的潜力的一部分。

通过提供测试设计套件 (TDK)，测试工程师可以让设计工程师合作伙伴轻松访问他们的测试功能，并确保他们的芯片可以使用自动化芯片级和晶圆级测试程序进行测试。图片由根特大学-imec 提供。

尽管市场预测充满希望，但此类预测未能聚焦于现有挑战，而这些挑战是确保集成光子学保持并延续其当前发展势头所必须应对的。目前，该行业面临的最大挑战之一是测试。随着光子芯片产量的持续增长，现有的测试实践以及必要的基础设施无法有效扩展。

克服这一瓶颈不仅仅是识别瓶颈：PIC 的测试本身就很复杂，需要的不仅仅是精密的设备。它需要具备丰富的设备校准专业知识，以及 PIC 芯片设计、热控制和偏振控制以及高速测量方面的专业知识。这些要求要求只有少数专家具备深厚的专业知识。

此外，许多公司、研发中心和学术机构无力承担内部测试设备的费用，而购买这些设备需要大量的经济投入，并且需要熟练的技术人员来操作。开发和获取测试知识和设备的困难阻碍了生产的规模化。这凸显了行业需要建立一个更具活力、更易于访问的测试框架以及标准化的必要性。

测试即服务 Test as a service

测试即服务的概念在集成光子学领域稳步发展，这得益于业界和代工厂的共同推动，代工厂除了提供制造服务外，还开始提供补充测试服务。这一趋势正在逐步改变行业格局，使更广泛的公司、研发中心和学术机构能够获得先进的测试能力。

然而，一个重大挑战依然存在：许多设计并未针对测试进行优化，这往往加剧了确定晶圆良率的复杂性。

测试工程师在晶圆级测试平台上对 PIC 进行测量。这些工程师受益于与设计工程师的早期协调，以了解优化测试所需的设备和参数。图片由 VLC Photonics 提供。

“我们经常收到一些晶圆和芯片，这些晶圆和芯片很难甚至无法用我们的标准设备配置进行测量，”西班牙瓦伦西亚设计和测试公司 VLC Photonics 的首席执行官 Iñigo Artundo 表示。“因此，最大的挑战在于开发定制的测试设置配置，以适应那些一开始就设计不当的布局。”

这种不匹配会导致延迟、吞吐量降低，并加剧人工干预的需求。最终的结果是，从测试提供商到最终用户，利益相关者的非经常性工程成本和时间投入增加。

弥合设计工程师和测试工程师之间的差距对于应对这些挑战至关重要。测试提供商必须创建一个环境，让设计工程师能够透彻理解测试设备的边界条件和局限性。同时，在设计阶段早期从设计人员那里获得详细的测试计划，将有利于测试过程，确保测试工程师能够快速调整必要的设备。

测试设计

(DfT) 是指在设计电路的同时，从设计阶段一开始就主动考虑测试要求和限制。考虑到与测试设备和方法的兼容性，在芯片上正确放置光学和电气I/O至关重要，这有利于下游工程师有效地测试所设计的电路。结构良好的测试协议可以进一步提高从设计阶段到测试阶段的高效过渡。

光通过边缘耦合器耦合到 PIC：这是一种将光耦合进出芯片的常用方法，同时提供较大的工作带宽。图片由 VLC Photonics 提供。

DfT 的概念还涵盖了提高可测试性和理解电路性能的步骤。例如，在功能电路上策略性地放置监控点（通过添加与主要产品 I/O 接口不同的未使用端口或电源分接头来实现），可以在研发和早期生产过程中提供有关电路的重要信息。“这些监控点有助于分析电路行为，从而可以隔离故障，”硅 PIC 设计和制造商 OpenLight Photonics 的硅光子工程高级总监 Chris Barnard 表示。“如果我们测量两个监控光电二极管之间的高损耗，并且它们之间有多个组件，那么如果不添加额外的测试端口，就无法确定是哪个组件导致了损耗。”

同样，在芯片上添加组件和子电路测试结构可以更好地理解测量结果，并帮助工程师调试设计的关键部分。这种做法可以加快迭代设计改进的速度。“在布局中添加调试结构，包括探测大型 PIC 中的各个电路块或组件，这一点至关重要，”AIM Photonics 的设计支持经理 Amit Dikshit 表示。 “当 PIC 性能未达预期时，这些结构可以识别出‘确凿证据’。”

在设计中实现这些 DfT 特征可能具有挑战性，尤其是在需要平衡代工厂和测试合作伙伴的需求的情况下。遵守设计规则可确保可制造性并与既定的、一致的测试方法兼容。有必要将这些规则集成到工程师用于设计和仿真电路的软件中。

常见的测试设计套件 (TDK) 功能包括自动放置基准标记，以及根据测量设备的物理约束定义“禁区”。通过这种方式，TDK 提供了一套布局指南，可用于优化测试阶段的流程。图片由 Luceda Photonics 提供。

专用于 PIC 布局和仿真的设计软件提供了先进的仿真功能，使设计人员能够预测测试结果并相应地改进设计。同时，诸如高级布局布线、功能验证、电路仿真和模型提取等功能使得设计人员能够设计出巧妙的测试结构。总而言之，这些考虑因素为测试提供商如何利用设计平台来满足测试和设计工程师的需求提供了深刻的见解。

测试设计套件：

晶圆代工厂通过提供与 PIC 设计软件平台兼容的工艺设计套件 (PDK)，使设计人员能够遵守其特定的制造规则。这些套件为设计人员和晶圆代工厂提供了衔接，使其能够更便捷地使用制造设施，并确保晶圆代工厂能够轻松提高产量。

这种方法可以类似地转移到测试领域，开发与 PIC 设计软件兼容的测试设计套件 (TDK) 可以有效地促进可测试设计流程。事实上，TDK 的优势在于它们与 PDK 的正交性：设计人员可以同时使用这两种设计套件，从而创建一个环境，让测试提供商可以轻松支持来自任何代工厂的任何芯片的测试，而无需知道客户正在使用哪种 PDK。

通过这种方式，TDK 通过简化测试提供商和最终用户之间的沟通机会，成为扩展解决方案的重要途径。TDK

还能尽早提高人们对测试重要性的认识，确保为设计和制造分配充足的资金。PIC

设计服务和软件公司 Spark Photonics 的首席执行官 Kevin McComber 表示：“作为一家设计公司，我们始终建议客户以终为始。” “但即使有，尝试使用书面文档中的规范进行设计也非常耗时且容易出错。使用 TDK 可以解决这些问题，因为几乎没有歧义。”

广义上讲，TDK 在光子价值链的任何环节都很有价值，有助于降低成本壁垒并缩短测量芯片所需的总时间。 “这对于多个客户的中小批量生产以及单个客户的大批量生产都适用，”荷兰光子集成技术中心科学总监 Sylwester Latkowski 表示。“结构良好的测试协议和布局设计能够监控产品制造的不同阶段，了解瓶颈，优化生产窗口并提高整体良率。”

剥离 TDK 的层次

TDK 提供设计规则和布局指南，使工程师和最终用户都能在芯片设计上正确定位电路 I/O 端口（包括光电端口）。这些套件嵌入了自动规则检查，可在 PIC 布局准备期间提供实时反馈，从而实现顺序设计流程。初始设计可以进行虚拟评估、修正和反复测试，直至最终可测试的设计完成。

中国武汉JFS实验室的刘思阳表示，通过整合成功测试所需的功能，TDK及其支持的测试可以避免测试部分或完全无法进行的情况。例如，在使用光纤阵列测量光子芯片时，有必要在设计中包含光纤环回。测试提供商无需通过图形设计系统 (GDS) 和 PDF 文件手动向设计人员提供反馈，而是可以依靠TDK自动将环回结构添加到客户的设计中，从而最大限度地减少人为错误的可能性。

TDK 的功能还有很多其他例子，包括自动放置基准标记以及根据测量设备的物理约束定义“禁入”区域。此外，还可以准确定位光学和电气 I/O，包括端口间距、方向和/或芯片上的绝对位置。TDK 还可以集成器件标签系统，以支持自动化晶圆级测试。

测试设计套件 (TDK) 简化了面向测试设计流程，可在设计早期提供测试例程和设计规则。图片由 Luceda Photonics 提供。

设计完成后，TDK 使用现有的软件功能生成测试提供商执行测试所需的输出。这些输出包括设计的 GDS 文件。另一个重要的输出是组件及其连接列表。每个组件都分配有名称、编号和关键参数，以便测试提供商在启动测试程序时轻松识别。例如，通常用作 PIC 光 I/O 接口的光纤光栅耦合器具有垂直耦合角，这会影响其可测试性。使用这些组件的测试提供商必须了解该角度的值，以便定位光纤，确保光最大限度地耦合到芯片上的波导中。结构化地访问这些信息对于测试提供商加快测试流程至关重要。此外，

还需要优化芯片或晶圆上电 I/O 和光 I/O 位置的提取。尽管提取算法嵌入在设计软件中，但每个 TDK 都会以与各自测试提供商使用的测量软件和工具兼容的格式输出这些信息，或者如果有多个工具可用，则以与每个测试程序兼容的格式输出这些信息。

TDK 可以更进一步：设想一个虚拟环境，允许设计人员在数字空间中测试他们的电路，就像在常规物理参数下测试一样。设计软件可以提供理想的数字空间，而测试合作伙伴则提供实际空间。TDK 连接两者。预先在 PIC 上运行仿真，使设计人员能够验证电路的可测试性，确定表征特定器件或电路所需的测量参数，并估算测试时间。

这种方法使设计工程师能够检查测试供应商支持哪些测试探头，以及测试设备是否支持在表征特定电路所需的电压或波长范围内进行测量。例如，如果用于数据通信应用的收发器高频测试的测试设备支持高达 50 GHz 的测量，但客户需要测量高达 100 GHz 的响应度，那么测试供应商必须提前了解这一要求，以避免延误。同样，测量器件中的非线性效应可能需要比现有设备支持的更高的激光功率。

最后，用户可以将此类仿真作业的输出文件格式与根据 TDK 定制的测量例程的输出格式进行匹配。这样，测试提供商可以为设计人员提供一种在设计软件环境中直接比较仿真和测量数据的方法。这种自动化操作减少了数据分析所需的时间，并确保所有测试数据都得到准确记录和报告。

将测试扩展到行业

TDK 的广泛应用有望彻底改变 PIC 行业，因为它可以实现更复杂的设计并保证可测试性，从而提高标准化程度。这将提高效率和可靠性，并且对于增强集成光子学行业的竞争力至关重要，因为随着 PIC 需求的增长，异构集成和先进的芯片架构应运而生。

最重要的是，TDK 通过提供参数测试模板、设计规则和布局指南，鼓励设计人员将测试视为设计过程不可或缺的一部分，而不是事后才考虑的事情。这种思维转变降低了设计人员和测试提供商的工程成本。同时，它加快了光子驱动产品的上市时间。

此外，TDK 还有一个优势：它有助于培养训练有素的员工，以便进行软件辅助晶圆级特性分析。这是确保行业拥有持续创新和发展所需人才的必要保证。

认识作者

Chiara Alessandri 是 Luceda Photonics 的产品营销和技术销售经理。她负责市场调研、定位和信息传递工作，并与生态系统合作伙伴以及设计软件和服务提供商的客户合作；邮箱：chiara.alessandri@lucedaphotonics.com。

Beibei Wu 是JFS实验室硅光子学高级工程师。她曾在重庆联合微电子中心从事硅光子学/激光雷达研发工作。她拥有华中科技大学光学工程博士学位；邮箱：wubeibei@jfslab.com.cn。