芯片ATE测试的温度控制系统及方法

技术领域

本发明涉及芯片测试技术领域，尤其涉及一种芯片ATE测试的温度控制系统及方法。

背景技术

芯片在出厂前需要进行出厂测试，ATE(Automatic Test Equipment，自动测试机)测试是目前半导体业界，运用最为广泛的测试方法。其主要原理是，将0/1表示的激励文件转换为合理的波形，加载合理的电压，传输给芯片。这些激励可以是直接的测试内容(如scan激励)也可以是触发芯片内部BIST(Build In Self-Test)的激励。ATE机台同时接收芯片的输出，与预期的输出结果作对比，得出测试结果。

大功率芯片在ATE机台进行测试时，往往需要较高的测试温度(95℃左右)。由于大功率芯片存在功耗大、温度变化范围广、各个IP模块温度不一致等特征，温度控制非常重要，常常发生因为温度异常导致的测试失败。

因此，对于大功率芯片的ATE测试，必须解决待测芯片温度控制的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种芯片ATE测试的温度控制系统及方法。

一方面，本发明提供一种芯片ATE测试的温度控制系统，包括：

ATE机台；

被测芯片，安装在所述ATE机台的测试插座中，所述被测芯片内置有温控IP核和温度感应三极管，用于采集芯片温度；

温度采集卡，安装在所述ATE机台上，与所述被测芯片连接，用于接收来自所述ATE机台的温度采集命令，根据所述温度采集命令，按照设定的循环间隔时间持续读取所述被测芯片的实际温度，并将读取到的芯片实际温度输出至温度控制装置，所述芯片实际温度为所述温控IP核采集的第一温度或者所述温度感应三极管采集的第二温度；

温度控制装置，安装在所述ATE机台上，与所述温度采集卡和所述被测芯片连接，用于接收来自所述温度采集卡的芯片实际温度，根据所述芯片实际温度和芯片目标温度对所述被测芯片进行温度控制。

可选地，所述温度采集卡，包括主控芯片和串行通信协议控制器；

所述主控芯片，用于接收来自所述ATE机台的温度采集命令；

所述串行通信协议控制器，与所述第一温度的输出管脚直接连接，以及通过温度传感器与所述第二温度的输出管脚连接，用于根据所述温度采集命令，按照设定的循环间隔时间持续读取所述第一温度或者所述第二温度作为芯片实际温度；

其中所述温度传感器安装在所述ATE机台上，用于将模拟量的第二温度转换为数字量的第二温度。

可选地，所述温度控制装置，包括温度控制器和温度控制头；

所述温度控制器，与所述温度采集卡连接，用于接收来自所述温度采集卡的芯片实际温度，将所述芯片实际温度与芯片目标温度作比较，若所述芯片实际温度高于所述芯片目标温度，输出降温指令，若所述芯片实际温度低于所述芯片目标温度，输出升温指令；

温度控制头，与所述被测芯片相接触，用于根据所述降温指令对所述被测芯片进行降温，或者根据所述升温指令对所述被测芯片进行升温。

可选地，所述温度控制器用于接收来自所述温度采集卡的芯片实际温度模拟信号，并通过ADC电路将所述芯片实际温度模拟信号转换为芯片实际温度数字信号；

所述温度采集卡还包括：DAC电路，用于将读取到的芯片实际温度数字信号转换为芯片实际温度模拟信号。

另一方面，本发明提供一种芯片ATE测试的温度控制方法，包括：

在ATE测试过程中，温度采集卡接收来自ATE机台的温度采集命令，根据所述温度采集命令，按照设定的循环间隔时间持续读取所述被测芯片的实际温度，并将读取到的芯片实际温度输出至温度控制装置，所述芯片实际温度为温控IP核采集的第一温度或者温度感应三极管采集的第二温度；

温度控制装置接收来自所述温度采集卡的芯片实际温度，根据所述芯片实际温度和芯片目标温度对所述被测芯片进行温度控制。

可选地，所述温度采集命令包括1个中断信号和4个命令信号，所述中断信号用于指示所述温度采集命令有效，所述命令信号包括读取第一温度命令、读取第二温度命令、停止读取命令、复位命令，其中所述读取第一温度命令和所述读取第二温度命令在一次读取时只有一个有效。

可选地，根据具体的ATE测试内容确定所述读取第一温度命令或者所述读取第二温度命令有效。

可选地，所述温度控制装置接收来自所述温度采集卡的芯片实际温度，根据所述芯片实际温度和芯片目标温度对所述被测芯片进行温度控制，包括：

温度控制器接收来自所述温度采集卡的芯片实际温度，将所述芯片实际温度与芯片目标温度作比较，若所述芯片实际温度高于所述芯片目标温度，输出降温指令，若所述芯片实际温度低于所述芯片目标温度，输出升温指令；

温度控制头根据所述降温指令对所述被测芯片进行降温，或者根据所述升温指令对所述被测芯片进行升温。

可选地，所述循环间隔时间是根据所述温度控制头的响应时间来设定的。

可选地，在ATE测试之前，对所述被测芯片内置的温控IP核和温度感应三极管进行校准。

本发明提供的芯片ATE测试的温度控制系统及方法，实现了读取大功率被测芯片实时变化的发热点温度，并且作为反馈源进行温控，能够实现精准的ATE测试温度控制。在大规模生产中，可以有效降低Socket、CPU、针卡等等昂贵设备的烧毁风险，避免停机维修。同时大大降低因为高温引起的芯片测试失效，提升了测试良率，降低了测试成本。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的一种芯片ATE测试的温度控制系统示意图；

图2为本发明一实施例提供的一种芯片ATE测试的温度控制方法示意图；

图3为本发明一实施例提供的温度采集-温度控制的具体过程示意图；

图4为本发明一实施例提供的温度控制方法和现有技术的效果对比示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

大功率芯片，尤其是高性能CPU、高性能GPU、AI加速器芯片等，这些芯片集成度高，功能模块繁多。硅片面积大，运行频率高。大功率芯片工作时，功耗大，温度高，且随着工作负载变化，功耗变化快，温度变化范围广。大功率芯片还有一个显著特征，就是随着不同IP模块工作负荷的变化，会导致各个IP模块温度不一致。

一实施例中，高端大功率芯片硅片上存在至少1个温度感应三极管以及1个温控IP核。在芯片设计阶段，会根据需要在芯片中央位置放一个温度感应三极管(Tdiode)。其结构相对简单，在芯片封装的引脚上有引出其中2极，使用市面常见Tdiode Sensor芯片即可读取到Tdiode温度。一般情况下，Tdiode温度能够较为准确的反映封装好的芯片内部温度。由于在每一个芯片上只有一个位于中央的温度感应三极管，只能反映芯片中央点的温度。对于硅片面积大，功能IP模块多的大功率芯片来说，不能够全面的反映整个芯片的发热状况。

温控IP核(Tmon)是一个IP模块，在芯片的多个功能模块内都有其温度传感器，总数可达到几十个。Tmon利用简单的串行通信协议，与外部主设备通信。外部主设备可以读取温控IP核各个传感器的温度，或者对温度控制做一些设定。也可以根据需要读取最高、最低、或者指定传感器的温度。同时Tmon还可进行各种配置，如高低温报警、限制处理器性能状态(P States)等等。

本发明实施例是基于上述内置有温控IP核和温度感应三极管的大功率芯片提出的。

本发明实施例提供一种芯片ATE测试的温度控制系统，如图1所示，该系统包括：ATE机台100、被测芯片101、温度采集卡102、温度控制装置103，其中，

ATE机台100是大功率芯片的测试平台，其作用是将测试向量加载到被测大功率芯片，同时读取并且判断测试结果。

被测芯片101安装在ATE机台100的测试插座中，被测芯片是大功率芯片，可以是大功率的高性能CPU、GPU和AI加速器等芯片。被测芯片内置有温控IP核和温度感应三极管，用于采集芯片温度。

温度采集卡102安装在ATE机台100上，与被测芯片101连接，用于接收来自ATE机台100的温度采集命令，根据温度采集命令，按照设定的循环间隔时间持续读取被测芯片101的实际温度，并将读取到的芯片实际温度输出至温度控制装置103，芯片实际温度为温控IP核采集的第一温度或者温度感应三极管采集的第二温度。

温度采集卡102由ATE机台100供电，并且接收ATE机台100发送的温度采集命令。温度采集命令是一种自定义并行协议。根据使用简单直接、传输准确快速的原则，温度采集命令可以采用6线形式，其中5个为命令信号，总共支持2^5种命令。同时还有1个为中断信号，ATE机台100通过使能中断信号来告知温度采集卡102有温度采集命令送到。一个实施例中，定义4个命令信号，包括：读取第一温度Tmon命令、读取第二温度Tdiode命令、停止读取命令、温度采集卡复位命令，另外一个命令信号预留备用。

温度控制装置103安装在ATE机台100上，与温度采集卡102和被测芯片101连接，用于接收来自温度采集卡102的芯片实际温度，根据芯片实际温度和芯片目标温度对被测芯片进行温度控制。

作为一种实施方式，温度采集卡102包括主控芯片和串行通信协议控制器；

主控芯片，用于接收来自ATE机台的温度采集命令；

串行通信协议控制器，用于根据温度采集命令，按照设定的循环间隔时间持续读取第一温度或者第二温度作为芯片实际温度。

温控IP核输出的第一温度是数字信号，直接通过简单2线串行协议与串行通信协议控制器相连。由于温度感应三极管输出的第二温度是模拟信号。所以在ATE机台上有1个Tdiode传感器芯片，与被测大功率芯片的温度感应三极管相连。Tdiode传感器芯片再通过简单2线串行协议与串行通信协议控制器连接。

温度采集卡的主控芯片是MCU，MCU在收到温度采集命令后，通知串行通信协议控制器，按照设定的循环间隔时间持续访问被测大功率芯片的Tmon IP或者Tdiode传感器芯片，读取所需的温度。

进一步地，温度控制装置103包括温度控制器和温度控制头；

温度控制器，与温度采集卡连接，用于接收来自温度采集卡的芯片实际温度，将芯片实际温度与芯片目标温度作比较，若芯片实际温度高于芯片目标温度，输出降温指令，若芯片实际温度低于芯片目标温度，输出升温指令；

温度控制头，与被测芯片相接触，用于根据降温指令对被测芯片进行降温，或者根据升温指令对被测芯片进行升温。温度控制头内部有制冷片、加热片，同时有冷却液回路。温度控制头受温度控制器控制，执行对被测芯片升温或者降温的实际动作。

业内在实际应用中，温度控制器一般都是接收温度模拟信号，因此温度采集卡在获取到芯片实际温度数字信号后，需要先将读取到的芯片实际温度数字信号通过DAC电路转换为芯片实际温度模拟信号，然后发送给温度控制器。

温度控制器接收到温度采集卡输出的芯片实际温度模拟信号，并通过ADC电路将芯片实际温度模拟信号转换为芯片实际温度数字信号，然后将芯片实际温度数字信号与芯片目标温度作比较，若芯片实际温度高于芯片目标温度，输出降温指令，若芯片实际温度低于芯片目标温度，输出升温指令；

温度控制头根据降温指令对被测芯片进行降温；或者根据升温指令对被测芯片进行升温。

另一方面，本发明实施例提供一种芯片ATE测试的温度控制方法，如图2所示，该方法包括：

S201，在ATE测试过程中，温度采集卡接收来自ATE机台的温度采集命令，根据温度采集命令，按照设定的循环间隔时间持续读取被测芯片的实际温度，并将读取到的芯片实际温度输出至温度控制装置，芯片实际温度为温控IP核采集的第一温度或者温度感应三极管采集的第二温度；

S202，温度控制装置接收来自温度采集卡的芯片实际温度，根据芯片实际温度和芯片目标温度对被测芯片进行温度控制。

在步骤S201，温度采集命令包括1个中断信号和4个命令信号，中断信号用于指示温度采集命令有效，命令信号包括读取第一温度命令、读取第二温度命令、停止读取命令、复位命令，其中读取第一温度命令和读取第二温度命令在一次读取时只有一个有效。至于是读取第一温度命令有效，还是读取第二温度命令有效，需要根据具体的ATE测试内容确定。

在步骤S202，温度控制装置包括温度控制器和温度控制头，该步骤具体包括：温度控制器接收来自温度采集卡的芯片实际温度，将芯片实际温度与芯片目标温度作比较，若芯片实际温度高于芯片目标温度，输出降温指令，若芯片实际温度低于芯片目标温度，输出升温指令；温度控制头根据降温指令对被测芯片进行降温，或者根据升温指令对被测芯片进行升温。

本发明实施例中，温度采集-温度控制的过程是循环进行的，循环间隔时间是根据温度控制头的响应时间来确定的，一般循环间隔时间为10ms。图3示出了在每个循环间隔时间内，温度采集-温度控制的过程：温度采集卡将读到的第一温度Tmon或者第二温度Tdiode，转换为芯片实际温度模拟信号，发送给温度控制器。温控控制器将收到的芯片实际温度模拟信号转换成芯片实际温度数字信号，并且与预设的芯片目标温度进行比较，若芯片实际温度高于芯片目标温度，则命令温度控制头降温，若芯片实际温度低于芯片目标温度，则命令温度控制头升温。

另外要说明的是，伴随着半导体工艺与制程的改变，对于不同的待测芯片，温度感应三极管与温控IP核的温度传感器特性也是会随之细微变化。要想获得最为准确的温度，那么需要在工艺与制程改变之后，对Tdiode与Tmon进行校准。在ATE测试之前，被测芯片内置的温控IP核和温度感应三极管需要进行校准。具体的校准方法如下：

温度感应三极管校准：本质是测量温度感应三极管的理想因子(DiodeIdeality)。先将被测芯片浸泡在恒温油浴(Oil Bath)中数小时，待油浴温度不再变化，即说明被测芯片已经与油浴同温度。这时通过高精度电流表，对温度感应三极管输入电流，在输入端就可以测量到电压。通过输入多组电流并且测量电压，就可以计算出该工艺制程下的理想因子。将测量到的理想因子，配置到Tdiode传感器芯片的寄存器中，即可通过Tdiode传感器芯片准确读取被测芯片的Tdiode温度。

温控IP核校准：Tmon的校准是依赖于Tdiode温度的。在温控IP核众多温度传感器中，有一个是紧挨着温度感应三极管的。在Tdiode已确认校准的前提下，读取Tdiode温度作为基准，来校准紧挨着的Tmon温度传感器。此Tmon温度传感器校准以后，将校准所得参数应用到其余Tmon温度传感器，即完成了Tmon所有温度传感器的校准。

本发明实施例提供的一种芯片ATE测试的温度控制方法，是基于前述实施例的芯片ATE测试的温度控制系统来实现，与现有的表面温度(Tcase)温控方法相比，本发明实施例提供的温度控制方法实现了读取大功率被测芯片实时变化的发热点温度，并且作为反馈源进行温控，能够实现精准的ATE测试温度控制。在大规模生产中，可以有效降低Socket、CPU、针卡等等昂贵设备的烧毁风险，避免停机维修。同时大大降低因为高温引起的芯片测试失效，提升了测试良率，降低了测试成本。

图4示出了本发明实施例提供的温度控制方法相比于现有的表面温度(Tcase)温控方法的对比图。图4中，纵坐标为被测芯片的实际温度，横坐标为整个测试的持续时间。曲线1(实际是水平直线)为预设温度95℃(希望测试95℃时芯片的功能和性能指标)。曲线2为使用Tcase温控时，芯片内核的实际温度。曲线3为使用Tmon温控技术时，芯片内核的实际温度。

通过对比，可以很明显的看出本发明产生的有益技术效果。采用Tcase温控技术时，虽然预设温度是95℃，但是在整个测试流程中，由于温度梯度的影响，导致芯片的温度始终都高出预设15℃以上，可以说实际温度与预设的95℃温度相差较远。换个角度理解，Tcase温控其实是把芯片外壳表面温度控制在了95℃，但是封装好的硅片温度远高于95℃。而采用Tmon温控，由于使用了硅片发热点的温度作为反馈，完全排除了温度梯度的影响。内核的实际最高温度始终紧紧围绕在预设的95℃上下小范围波动，非常理想。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。