溫度仿真在集成電路測試硬件設計中的應用

孫書龍

摘要：半導體集成電路測試是半導體工藝流程中不可或缺的重要環節，它貫穿于芯片設計制造的整個過程，而最終測試則是重中之重，其測試良品率的高低與生產成本有直接關系。汽車級芯片對測試的要求比較高，一般都是三溫測試再加老化測試。近年來隨著半導體技術的飛速發展，集成電路的精度越來越高，對半導體測試設備的要求也越來越高。由普通的自動分選機所提供的溫度測試環境很不精準，已經不能滿足如今的要求。本文首先介紹了基于Castle普通自動分選機，通過流體熱力學的仿真來優化芯片最終測試時的溫度控制，從而直接或間接提高測試良品率。

關鍵詞：集成電路；溫度控制；溫度仿真

1. 半導體最終測試硬件簡介

半導體集成電路的最終測試是半導體制造廠將產品交付給客戶前的最后工序，對保證芯片的質量和滿足客戶的要求至關重要。最終測試包括的主要硬件設備有三種：測試系統（ATE/Tester），自動分選機（Handler），接口界面硬件（Test InterfaceHardware）；所必須的軟件主要有測試程序，通訊協議等。

測試接口界面的硬件大致包括測試板（Device Interface Board/Load Board）和測試插座（Socket），以及自動分選機與測試系統相連接的相關硬件機構等。他們相互配合分別在物理以及電性上起到連接自動分選機與測試系統的作用。

2. 半導體最終測試的溫度要求

在測芯片實際溫度的測試是近些年發展起來的，之前雖然也是三溫測試，但只是通過Handler設置溫度來實現，沒有任何的反饋來得知芯片在測試時其本身到底是否能夠達到設置的要求。隨著集成電路電性測試技術及要求的提高，有些芯片產品內部集成了溫度傳感器，或者通過一些與溫度變化線性相關的精密二極管的電壓變化，通過一系列公式來計算出當前在測芯片的實際溫度。

這意味著如果溫度不達標，同樣會被當成次品，同樣會影響最終測試的良品率，而且由于溫度的不準確還會導致某些電性測試方面的不達標。因此半導體最終測試時的溫度控制問題開始被重視起來。

通常情況下低溫測試都是-40℃，測試程序溫度測試條目的上下限控制在+/-10℃，嚴格一些的+/-5℃。本文遇到的問題是為了保證某些測試條目的準確，測試工程師將溫度測試的上限設定在-40℃，并且在程序中加入了至少三次的溫度測試，測試程序運行過程的開始、中間、結尾都有溫度的測試項，任何一項高于-40℃都會成為次品。第一項溫度測試比較容易達到，但是一顆芯片的測試是需要時間的，一般在10s左右，長的幾十秒甚至超過一分鐘。如何在這么長的時間內維持溫度的準確及穩定成為了一個重要的課題，也是本文旨在解決的項目。

3. Solidworks Flow Simulation 軟件特點和仿真優勢

Solidworks產品可以提供一套綜合的軟件工具及解決方案，包括了3D建模、產品仿真、產品數據管理，可持續化設計等諸多功能。Flow Simulation 是其仿真產品之一，它的主要特點有：Flow Simulation是完全內置于 SolidWorks 軟件中的液流仿真和熱分析程序，易用性首屈一指；軟件使用的是視窗化、圖形化的界面形式，非常友好簡單的界面；Flow Simulation具有極強的智能求解器，并且能夠實時監測分析的過程及趨勢，更好的理解流場溫度場發展變化的同時也能便于發現一些錯誤的計算從而及時停止分析，這能夠很好的節省時間。

由于Flow Simulation與Solidworks 3D建模軟件集成在一起，所以它們之間在模型接口、數據共享等方面可以做到無縫鏈接，無需再為另一個計算流體力學應用程序修改設計，也不存在由于不同零件格式轉換所產生的兼容性問題，因此節省了可觀的時間和成本。

4. 測試位的溫度控制及改進

4.1 自動分選機溫度區域介紹

Castle自動分選機能提供-55℃～155℃的測試環境，它是依靠環境的溫度給芯片加熱制冷，主要包括幾個密封的溫度艙室，預熱倉，測試倉和穩定倉。預熱倉主要是給芯片提供一定時間的預熱，讓芯片溫度達到要求；測試倉就是芯片測試時所在的位置，溫度控制要求準確穩定；穩定倉就是芯片測試之后經過一定時間使芯片溫度接近于室溫從而完成分揀。

4.2當前在測芯片的溫度控制及分析

當前芯片的溫度控制是通過加熱倉來給芯片加熱或制冷從而維持芯片的溫度。隨著測試需求的發展，需要維持芯片的溫度在整個測試時間內達標。

在某個產品的低溫測試程序中，測試的開始，中間還有結束位置都有溫度測試的條目，所有的溫度測試條目都不能高于-40℃。結果測試結果良品率為0，全部fail在溫度項。收集所有的測試溫度值分析發現，整個測試過程中溫度的分布如圖4-1所示。這也表明當前的Handler溫度設置完全不能滿足這個產品的需求。

可以看到隨著時間的增長，芯片的實際溫度越來越高，前5s溫度變化的很快，這是因為一旦芯片被推入測試插座中，便隔絕了與溫度倉的直接關聯，并且隨著測試的進行芯片本身也有一定程度發熱，所以芯片溫度損失很劇烈，超過10s后，溫度趨于穩定，但是實際溫度跟-40℃的期望值相差甚遠。這也能夠很好的解釋為什么第一遍溫度測試比較容易達到要求，因為第一遍溫度反映的是溫度倉的穩定溫度。

將測試位區域的各部件按照實際尺寸建模，按照實際的溫度設置來設置邊界條件，圖4-2為測試位溫度在普通設置下平衡后的溫度場模擬情況，可以直觀的看到由于測試板背部是室溫環境，溫度的損失使得測試插座內的小環境溫度明顯達不到Handler設置要求。當芯片在測試插座里停留足夠長的時間，那么芯片的實際溫度就應該是這個平衡后的溫度。

通過這些設置勉強維持住了最后一遍溫度的要求，但是同時也帶來了一系列的負面問題，由于Handler長期在超低溫下運行，維護起來非常困難，故障率比正常設置要多很多，這樣也造成設備的額外維護和利用率的問題，這也是測試生產線所不能接受的。

經過上面的模擬分析得知，測試位的溫度損失之所以這么嚴重主要是因為測試板的背部是室溫環境，測試板是5mm厚度的PCB，正面安裝的是測試插座，背面在測試的過程中裸露并吹壓縮空氣防止結霜。芯片在測試時與測試插座配合，其所處的位置由于貼近測試板，其熱平衡后的小環境溫度遠遠達不到期望的溫度值。所以如何避免溫度通過測試板背部過快的流失成了關鍵。

4.3在測芯片的溫度控制的改進

基于當前設備的溫度控制原理，在溫度模擬仿真的基礎上，創新的提出利用溫度控制蓋來維持在測芯片的溫度穩定，可以大大減輕Handler的負擔。下面著重闡述Castle的溫度控制分析及研究改進情況。

通過模擬分析得知由于測試板背部的防止結霜的壓縮空氣可以很快的將熱量帶走，但是由于低溫環境的要求，還要必須防止測試板背部結霜，這是一個相互矛盾的關系。

綜合考慮這兩方面的要求，設計出一個跟測試板背部密封的蓋子，將測試板測試位的背部封閉起來，這樣蓋子內部由于是密閉空間，沒有濕空氣的進入所以即使溫度很低也不會結霜，而且由于將低溫區域的測試位部分封閉起來，外界的室溫壓縮空氣不能直接吹到板子上帶走熱量。

圖4-4為溫度控制蓋的溫度場模擬以及實際加裝示意，分析的結果非常清楚的表明，因為溫度控制蓋的封閉作用，-40℃的平衡區域會向測試板背部方向移動，從而使得芯片所在的小環境溫度接近于期望值并能夠維持穩定。

這個溫度控制蓋是一個創新，它很好的平衡了溫度控制及防止低溫結霜的問題。通過這樣的改進，Handler只要設置成-43℃就可以保證最后一遍的溫度測試很穩定的達到要求而且也不再需要超大流量的壓縮空氣與液氮的供給。實踐證實設置成-43℃時Handler的表現會大大優于-50℃的設置，基本上可以持續穩定的進行生產。

5.結論

隨著半導體產業的不斷發展以及各種新技術的應用，各類芯片的集成度、精密度越來越高，對最終測試的要求也會越來越高，其相應的測試硬件也會不斷涌現出新的概念與技術，在測芯片的溫度控制環節也是如此。也會繼續運用流體溫度方面的仿真知識，更好的指導相關最終測試硬件的開發工作。

參考文獻

[1]張俊，面向設計者的協同仿真分析-COSMOS，Solidworks公司中國分公司，2007

[2]陳超祥，葉修梓.Solidwords Flow Simulation教程[M].機械工業出版社，2011.

（作者單位：恩智浦半導體（中國）有限公司）