Agilent 93000 SoC系列采用的液冷技術(shù)-新品速遞

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對測試及測試成本的好處安捷倫科技摘要：半導(dǎo)體芯片在運行過程中散發(fā)熱量。芯片的工作溫度影響著其內(nèi)部電路性能，更重要的是，其影響著芯片的可靠性。對半導(dǎo)體測試，這是一個重要問題，因為如果測試系統(tǒng)電子器件的溫度不能穩(wěn)定在目標(biāo)水平，那么產(chǎn)出將下降，可重復(fù)性將會劣化。如果目標(biāo)溫度不能保持在相對較低的水平，那么系統(tǒng)可靠性將明顯降低。

自動測試系統(tǒng)(ATE)采用基于空氣或液體介質(zhì)的冷卻技術(shù)。液冷系統(tǒng)比風(fēng)冷系統(tǒng)的溫度穩(wěn)定性要高。液冷系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)效率較高，因此可以降低ATE的工作溫度。1水冷測試系統(tǒng)的優(yōu)點

不是電路的工作溫度，由于廠影響著電路的性能，因此冷卻系統(tǒng)保持溫度穩(wěn)定、且獨立于氣壓和電路負載等環(huán)境因素和工作因素非常重要。這對電路的可重復(fù)性和穩(wěn)定性具有直接意義，而電路的可重復(fù)性和穩(wěn)定性則影響著DUT(被測芯片)的產(chǎn)出、半導(dǎo)體測試系統(tǒng)的測試可重復(fù)性和診斷功能。

冷卻的效果和效率取決于散熱設(shè)計、用來從芯片中傳導(dǎo)熱量的流體(液體或空氣)屬性以及散熱器和冷卻流體之間的熱傳導(dǎo)特點。每單位容量的冷卻液的熱容量發(fā)揮著重要作用。由于水的熱容量要高得多，因此在實現(xiàn)較低的芯片工作溫度及有效的穩(wěn)定工作溫度方面，水要優(yōu)于空氣。

在水冷測試系統(tǒng)中，液冷高壓系統(tǒng)的溫度直接由循環(huán)的液體控制。由于良好的芯片接觸熱阻，可以簡便地使不保持在目標(biāo)溫度的1℃范圍以內(nèi)。例如，在Agilent93000SoC系列測試系統(tǒng)中，水循環(huán)經(jīng)過的小型高壓系統(tǒng)(參見圖1)足以滿足高性能插件和模擬儀器的冷卻要求。在水溫為30℃時，不可以保持在35℃±1℃，保證性能、可靠性、穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

相比之下，風(fēng)冷系統(tǒng)的效率受到散熱設(shè)計、空氣流動的速度、方向和均勻性的限制。

2液冷ATE的設(shè)計

2．1風(fēng)冷的局限性

許多半導(dǎo)體測試設(shè)備制造商采用風(fēng)冷技術(shù)，因為他們沒有為要求液冷技術(shù)的高性能設(shè)計原始平臺。隨著半導(dǎo)體ATE系統(tǒng)的性能要求不斷提高，迫使制造商選擇要么轉(zhuǎn)向可擴充的液冷結(jié)構(gòu)，要么為低性能系統(tǒng)和高性能系統(tǒng)維護不同的結(jié)構(gòu)。

如果其廠商為高性能系統(tǒng)和低性能系統(tǒng)提供不同的結(jié)構(gòu)，ATE用戶還必須承擔(dān)由于缺乏擴充能力和性能靈活性而導(dǎo)致的風(fēng)險。

2．2液冷技術(shù)的早期采用

早在十幾年前，安捷倫科技就確定，液冷系統(tǒng)是半導(dǎo)體ATE系統(tǒng)的解決方案。安捷倫科技解決問題的方法是開發(fā)一個能夠與集成電路生產(chǎn)工藝一起擴充的結(jié)構(gòu)。這意味著安捷倫在制訂決策前，考察了液冷結(jié)構(gòu)的擴充能力、可靠性和擁有成本。現(xiàn)在，安捷倫正在為83000和93000系列測試系統(tǒng)開發(fā)第四代測試系統(tǒng)的測試電子器件板。安捷倫對液冷電子器件中的某些創(chuàng)新正在申請大量的。今天，安捷倫可以在一個可擴充的平臺上，提供測試SoC設(shè)備所需的全系列性能。由于可以簡便地提高安捷倫水冷系統(tǒng)的冷卻能力，因此仍有充足

的發(fā)展空間，來處理針腳數(shù)量、接口速度和功能發(fā)展的進一步需求。

2．3水冷插件設(shè)計

冷卻是設(shè)計ATE系統(tǒng)測試插件中不可分割的組成部分。對Agilent93000SoC系列測試儀的插件，高壓系統(tǒng)的設(shè)計必須保證適當(dāng)數(shù)量的水通過每個器件，以吸收熱量，提供該器件所需的穩(wěn)定性流量。信道的截面、形狀和通道必須保證流量平衡，而沒有可能成為熱區(qū)的漩渦或靜止點。

安捷倫決定使用水限度地提高冷卻效率，同時使成本達到。水具有環(huán)保性、無毒及取材方便等特點(安捷倫測試系統(tǒng)使用質(zhì)量達到飲用標(biāo)準(zhǔn)的水，系統(tǒng)負責(zé)處理所有必需的調(diào)節(jié))。由于缺乏防止其溢出的設(shè)計特性，某些其它制造商采用Flourinert(FC-77)作為冷卻液。由于Flourinert的成本及其環(huán)境處理要求，這會引起很高的代價。安捷倫在ATE系統(tǒng)中使用液冷技術(shù)已有十多年的歷史，其完善的防水設(shè)計和防溢出操作方法消除了測試系統(tǒng)中泄漏損壞的危險。目前世界各地使用的安捷倫水冷測試系統(tǒng)已經(jīng)超過1，000臺。

3半導(dǎo)體ATE的冷卻和實際成本

半導(dǎo)體ATE必須能夠以相應(yīng)的性能水平執(zhí)行相應(yīng)的測試，它必須可以重復(fù)地、一致地執(zhí)行測試，重要的是，它必須能夠可靠地執(zhí)行測試。

3．1液冷技術(shù)降低了測試成本

冷卻技術(shù)以三種方式影響測試系統(tǒng)的性能。

縮小形狀液冷技術(shù)有助于確定元器件密度、工作速度和針腳電子器件的精度。冷卻效率越高，實現(xiàn)的元器件密度越高，這可以降低測試系統(tǒng)內(nèi)部的傳播時延，消除到被測芯片(DUT)的長通道中固有的失真。冷卻效率還決定著設(shè)備在測試系統(tǒng)中的可用性能。通過保證工作條件變化及工作環(huán)境變化不會導(dǎo)致工作溫度(了，)發(fā)生明顯變化，冷卻效率還影響著精度。

改進穩(wěn)定性液冷技術(shù)還具有保證可重復(fù)性的熱容量。在當(dāng)前皮秒級的精度上，當(dāng)溫度自上次校準(zhǔn)變化1度以上時，通常要求重新進行校準(zhǔn)。由于安捷倫測試系統(tǒng)中的溫度保持在這一極限內(nèi)，因此不需要停止生產(chǎn)，以重新校準(zhǔn)ATE。所有這些都有助于限度地提高測試時間和吞吐量。

改進可靠性冷卻結(jié)構(gòu)重要的影響是對測試系統(tǒng)可靠性的影響。根據(jù)FIT(10'個芯片工作小時的故障)比率，可以預(yù)測半導(dǎo)體芯片的平均故障間隔時間(MTTF)。芯片狀態(tài)穩(wěn)定的工作溫度對芯片的FIT比率有著重大影響。

通過使用FIT比率分析，我們發(fā)現(xiàn)，在90℃的工作溫度下，CMOSASIC的MTTF是40年。在500個ASIC的系統(tǒng)中，系統(tǒng)的MTBF(平均故障間隔時間)大約是一個月(40年／500)。因此，我們可以預(yù)計在一臺有500個芯片的系統(tǒng)中，每個月會有一臺系統(tǒng)發(fā)生故障。鑒于每個ASIC工作溫度和MTTF之間的關(guān)系，系統(tǒng)的工作溫度每下降10℃，系統(tǒng)的MTBF大約翻一番。如果測試系統(tǒng)的冷卻系統(tǒng)可以使工作溫度降低到40~C，系統(tǒng)的MTBF可以提高到32個月。

安捷倫的液冷結(jié)構(gòu)直接提升了測試系統(tǒng)的可靠性，降低了維護和修理成本，明顯提高了可用性。由于測試是生產(chǎn)工藝中的瓶頸，測試儀中斷時間的任何下降都對生產(chǎn)效率和制造成本具有積極影響。

3．2液冷節(jié)約的其它成本

液冷測試電路板實現(xiàn)了風(fēng)冷系統(tǒng)中不能實現(xiàn)的器件密度。其結(jié)果，降低了測試儀的空間，使要求的地板空間降低了3倍或4倍(這對專用測試系統(tǒng)及空間成本非常高的無塵室尤為重要)。緊湊型測試系統(tǒng)還降低了對基礎(chǔ)設(shè)施的需求。小型測試頭的額定功率較低，要求的操縱設(shè)備較小(運行成本和折舊費用較低)。

3．3液冷技術(shù)保護了測試投資

通過使運營成本達到、使測試系統(tǒng)吞吐量達到(通過高性能和可靠性)，液冷技術(shù)在降低測試總成本中發(fā)揮著重要作用。盡管風(fēng)冷結(jié)構(gòu)能夠支持300～500MHz范圍內(nèi)的信號速度，但對更快的測試速度，必須改變冷卻戰(zhàn)略。

由于安捷倫對全系列針腳電子器件采用液冷技術(shù)，因此可以在一個測試頭中混合提供性能及性能，保護客戶的測試投資。液冷技術(shù)還延長了現(xiàn)有插件的使用壽命，因為它們可以用于速度較低的針腳及性能更高的插件，逐針腳匹配DUT。從這個意義上說，液冷技術(shù)是安捷倫可擴充的單一平臺的重要基礎(chǔ)。圖2說明了93000針腳電子器件的共同形狀和結(jié)構(gòu)。93000液冷結(jié)構(gòu)使這種公共結(jié)構(gòu)和形狀成為可能。

可以在同一個測試系統(tǒng)中并排使用500MHzCe型和2GHzP型測試插件，而不存在任何問題（圖3）。

4結(jié)論

隨著功率密度提高，冷卻效率成為半導(dǎo)體ATE設(shè)計中一個日益重要的因素，以保證其滿足性能、可重復(fù)性、可靠性和運行成本要求。液冷技術(shù)有效地解決了這些挑戰(zhàn)。

盡管風(fēng)冷測試系統(tǒng)的前期設(shè)計和開發(fā)成本要低于液冷測試系統(tǒng)，但在考慮系統(tǒng)運行成本、可靠性和性能時，風(fēng)冷系統(tǒng)的成本要明顯高于液冷系統(tǒng)。Agilent93000SoC系列可擴充的液冷結(jié)構(gòu)通過降低運行成本，改善吞吐量，降低了