温度仿真在集成电路测试硬件设计中的应用

孙书龙

摘要：半导体集成电路测试是半导体工艺流程中不可或缺的重要环节，它贯穿于芯片设计制造的整个过程，而最终测试则是重中之重，其测试良品率的高低与生产成本有直接关系。汽车级芯片对测试的要求比较高，一般都是三温测试再加老化测试。近年来随着半导体技术的飞速发展，集成电路的精度越来越高，对半导体测试设备的要求也越来越高。由普通的自动分选机所提供的温度测试环境很不精准，已经不能满足如今的要求。本文首先介绍了基于Castle普通自动分选机，通过流体热力学的仿真来优化芯片最终测试时的温度控制，从而直接或间接提高测试良品率。

关键词：集成電路；温度控制；温度仿真

1. 半导体最终测试硬件简介

半导体集成电路的最终测试是半导体制造厂将产品交付给客户前的最后工序，对保证芯片的质量和满足客户的要求至关重要。最终测试包括的主要硬件设备有三种：测试系统（ATE/Tester），自动分选机（Handler），接口界面硬件（Test InterfaceHardware）；所必须的软件主要有测试程序，通讯协议等。

测试接口界面的硬件大致包括测试板（Device Interface Board/Load Board）和测试插座（Socket），以及自动分选机与测试系统相连接的相关硬件机构等。他们相互配合分别在物理以及电性上起到连接自动分选机与测试系统的作用。

2. 半导体最终测试的温度要求

在测芯片实际温度的测试是近些年发展起来的，之前虽然也是三温测试，但只是通过Handler设置温度来实现，没有任何的反馈来得知芯片在测试时其本身到底是否能够达到设置的要求。随着集成电路电性测试技术及要求的提高，有些芯片产品内部集成了温度传感器，或者通过一些与温度变化线性相关的精密二极管的电压变化，通过一系列公式来计算出当前在测芯片的实际温度。

这意味着如果温度不达标，同样会被当成次品，同样会影响最终测试的良品率，而且由于温度的不准确还会导致某些电性测试方面的不达标。因此半导体最终测试时的温度控制问题开始被重视起来。

通常情况下低温测试都是-40℃，测试程序温度测试条目的上下限控制在+/-10℃，严格一些的+/-5℃。本文遇到的问题是为了保证某些测试条目的准确，测试工程师将温度测试的上限设定在-40℃，并且在程序中加入了至少三次的温度测试，测试程序运行过程的开始、中间、结尾都有温度的测试项，任何一项高于-40℃都会成为次品。第一项温度测试比较容易达到，但是一颗芯片的测试是需要时间的，一般在10s左右，长的几十秒甚至超过一分钟。如何在这么长的时间内维持温度的准确及稳定成为了一个重要的课题，也是本文旨在解决的项目。

3. Solidworks Flow Simulation 软件特点和仿真优势

Solidworks产品可以提供一套综合的软件工具及解决方案，包括了3D建模、产品仿真、产品数据管理，可持续化设计等诸多功能。Flow Simulation 是其仿真产品之一，它的主要特点有：Flow Simulation是完全内置于 SolidWorks 软件中的液流仿真和热分析程序，易用性首屈一指；软件使用的是视窗化、图形化的界面形式，非常友好简单的界面；Flow Simulation具有极强的智能求解器，并且能够实时监测分析的过程及趋势，更好的理解流场温度场发展变化的同时也能便于发现一些错误的计算从而及时停止分析，这能够很好的节省时间。

由于Flow Simulation与Solidworks 3D建模软件集成在一起，所以它们之间在模型接口、数据共享等方面可以做到无缝链接，无需再为另一个计算流体力学应用程序修改设计，也不存在由于不同零件格式转换所产生的兼容性问题，因此节省了可观的时间和成本。

4. 测试位的温度控制及改进

4.1 自动分选机温度区域介绍

Castle自动分选机能提供-55℃～155℃的测试环境，它是依靠环境的温度给芯片加热制冷，主要包括几个密封的温度舱室，预热仓，测试仓和稳定仓。预热仓主要是给芯片提供一定时间的预热，让芯片温度达到要求；测试仓就是芯片测试时所在的位置，温度控制要求准确稳定；稳定仓就是芯片测试之后经过一定时间使芯片温度接近于室温从而完成分拣。

4.2当前在测芯片的温度控制及分析

当前芯片的温度控制是通过加热仓来给芯片加热或制冷从而维持芯片的温度。随着测试需求的发展，需要维持芯片的温度在整个测试时间内达标。

在某个产品的低温测试程序中，测试的开始，中间还有结束位置都有温度测试的条目，所有的温度测试条目都不能高于-40℃。结果测试结果良品率为0，全部fail在温度项。收集所有的测试温度值分析发现，整个测试过程中温度的分布如图4-1所示。这也表明当前的Handler温度设置完全不能满足这个产品的需求。

可以看到随着时间的增长，芯片的实际温度越来越高，前5s温度变化的很快，这是因为一旦芯片被推入测试插座中，便隔绝了与温度仓的直接关联，并且随着测试的进行芯片本身也有一定程度发热，所以芯片温度损失很剧烈，超过10s后，温度趋于稳定，但是实际温度跟-40℃的期望值相差甚远。这也能够很好的解释为什么第一遍温度测试比较容易达到要求，因为第一遍温度反映的是温度仓的稳定温度。

将测试位区域的各部件按照实际尺寸建模，按照实际的温度设置来设置边界条件，图4-2为测试位温度在普通设置下平衡后的温度场模拟情况，可以直观的看到由于测试板背部是室温环境，温度的损失使得测试插座内的小环境温度明显达不到Handler设置要求。当芯片在测试插座里停留足够长的时间，那么芯片的实际温度就应该是这个平衡后的温度。

通过这些设置勉强维持住了最后一遍温度的要求，但是同时也带来了一系列的负面问题，由于Handler长期在超低温下运行，维护起来非常困难，故障率比正常设置要多很多，这样也造成设备的额外维护和利用率的问题，这也是测试生产线所不能接受的。

经过上面的模拟分析得知，测试位的温度损失之所以这么严重主要是因为测试板的背部是室温环境，测试板是5mm厚度的PCB，正面安装的是测试插座，背面在测试的过程中裸露并吹压缩空气防止结霜。芯片在测试时与测试插座配合，其所处的位置由于贴近测试板，其热平衡后的小环境温度远远达不到期望的温度值。所以如何避免温度通过测试板背部过快的流失成了关键。

4.3在测芯片的温度控制的改进

基于当前设备的温度控制原理，在温度模拟仿真的基础上，创新的提出利用温度控制盖来维持在测芯片的温度稳定，可以大大减轻Handler的负担。下面着重阐述Castle的温度控制分析及研究改进情况。

通過模拟分析得知由于测试板背部的防止结霜的压缩空气可以很快的将热量带走，但是由于低温环境的要求，还要必须防止测试板背部结霜，这是一个相互矛盾的关系。

综合考虑这两方面的要求，设计出一个跟测试板背部密封的盖子，将测试板测试位的背部封闭起来，这样盖子内部由于是密闭空间，没有湿空气的进入所以即使温度很低也不会结霜，而且由于将低温区域的测试位部分封闭起来，外界的室温压缩空气不能直接吹到板子上带走热量。

图4-4为温度控制盖的温度场模拟以及实际加装示意，分析的结果非常清楚的表明，因为温度控制盖的封闭作用，-40℃的平衡区域会向测试板背部方向移动，从而使得芯片所在的小环境温度接近于期望值并能够维持稳定。

这个温度控制盖是一个创新，它很好的平衡了温度控制及防止低温结霜的问题。通过这样的改进，Handler只要设置成-43℃就可以保证最后一遍的温度测试很稳定的达到要求而且也不再需要超大流量的压缩空气与液氮的供给。实践证实设置成-43℃时Handler的表现会大大优于-50℃的设置，基本上可以持续稳定的进行生产。

5.结论

随着半导体产业的不断发展以及各种新技术的应用，各类芯片的集成度、精密度越来越高，对最终测试的要求也会越来越高，其相应的测试硬件也会不断涌现出新的概念与技术，在测芯片的温度控制环节也是如此。也会继续运用流体温度方面的仿真知识，更好的指导相关最终测试硬件的开发工作。

参考文献

[1]张俊，面向设计者的协同仿真分析-COSMOS，Solidworks公司中国分公司，2007

[2]陈超祥，叶修梓.Solidwords Flow Simulation教程[M].机械工业出版社，2011.

（作者单位：恩智浦半导体（中国）有限公司）