现状与超越:MPS汽车电子产品超精确IC高低温测试技术

作者:Rudy Richter, Director of Test Engineering & Facilities, and Dave Wang, Test Engineering Section Manager (Industrial), Monolithic Power Systems

介绍

如今,汽车的附加功能变得越来越丰富,而人们对它们的可靠性和性能期望值也逐年增加。然而,沿着产品链向上追溯,这些附加功能的可靠性完全取决于上游零件制造商,尤其是设计和生产集成电路(IC)的制造商。与此同时,随着自动驾驶和数字座舱的兴起,集成电路的需求量也是只增不减。因此,IC 制造商是否能够精准地设计和测试产品,以及能否确保IC芯片在全部温度范围内(即使是极冷或极热)都能正常工作,变得尤为重要。

而现实情况是,传统的典型温度测试方法存在巨大缺陷。大部分公司所采用的高低温测试方法并不能真正精确地设定和测试芯片达到特定的温度。汽车电子产品的失效等级需要控制在十亿分之一以内,IC制造商有责任提供尽可能精确的生产测试方法。基于这个原因,MPS开创了一种前所未有的新型高低温测试方法,它能精确地测试芯片结温并达到设置所需的温度。

现状

通常,IC制造商在生产过程中会采用重力式分选机(一种特定的生产测试硬件)进行温度测试。但是,当测试温度范围不同时,重力式分选机则无法长时间准确地保持指定温度,换句话说,所需的测试温度和实际测试温度之间可能存在很大差距(见图1)。测试站的温度会在开始的3至5秒内下降20°C。这么大的温度变化会导致很难筛选出极端温度下的不良产品,比如冷启动或过温微调问题。

Expected Temp vs Actual Temp on Gravity Handler 125°C

图1:当重力式分选机为125°C时,期望温度对比实际温度

这是由于分选机通常会按照工厂的标准进行校准,且其环境空气温度必须在预定位置进行校准,如浸泡室和活塞头,以匹配分选机中显示屏上显示的温度(见图2).

Gravity Handler

图2:重力式分选机(活塞头开启,浸泡室,显示)

吹气气流吹向芯片某个位置,有可能达到正确的温度,但这不能保证被测器件能测试到与设置时的相同结温(Tj)。尤其是与测试站接触器连在一起的测试硬件印刷电路板(PCB),它就像在被加热的器件后连接了一个巨大的散热器。

MPS便基于此种工业标准方法进行测试,想要测试其中的温度梯度到底有多明显,结果可想而知,非常令人吃惊。图 3 显示了125°C和 -40°C的行业典型高低温测试温度性能。热温和低温曲线都显示了约有20°C的温度变化,而且在测试最开始3到5秒内,温度极其不稳定。当考虑到模拟IC的平均测试时间大概是在5-8秒之间时,能够很明显地看出,当今正在进行的许多测试实际上都是在一个巨大的温度变化下进行的,而并非在真正的结温下。

Industry-Typical Testing Temperature Performance

图3:工业典型测试温度性能

那么温度为什么会下降呢?首先我们可以确定的最主要的几种原因有:

  • 槽糕的接触器设计
  • 印制电路板的设计方式和厚度
  • 隔温罩设计和正确的高低温吹气温度
  • 在测试过程中,缺乏对实际测试芯片温度的反馈
  • 工厂处理程序校准未达到所需的理想测试条件
  • 缺少测试机对分选机参数的控制
  • 不同尺寸芯片的浸泡时间

面对这些问题,业内通常会采用两种常见方法来克服。第一种是简单地增加分选机温度补偿,使5秒稳定后的温度能接近TJ。比如,测试运行的温度为125°C,那分选机的温度应设为145°C。这种处理方案的弊端是:温度大幅度衰减会引起一系列不必要的麻烦,比如,产品良率降低和QA抽检失效,而且通常要求IC的耐温温度比目标温度要高出很多,因为大多数测试在最初的3-5秒内已经开始执行了。

第二种克服温度大幅衰减的办法则是在测试期间,让芯片工作在最高功率级,以便增加测试站的温度。这种方法非常适用于电源管理和处理器产品,因为这些产品的电阻和开关损耗比较大,通常内部设备会产生大量的热量。可是该方法也同样面临3种问题。第一,必须对每种新产品收集大量的数据,以便能应用正确的功率。第二,在大部分测试过程中,元器件无法工作在要求的功率模式中,所以预期的加热效果只会偶尔发生。这会影响最终的精确度和稳定度。最后,并不是所有的芯片都是大功率器件,而能采用这种方法进行加热。

为了弥补上述线性度和准确度的缺陷,我们决定各个击破,系统解决这些问题。首先采用试错法采集数据,然后找出最佳解决方案。如此一来,MPS便具备了专有的测试方法,能在精确的结温范围内测试IC状态,特别是针对汽车级电子产品(AEC-Q100),效果非常显著。

该解决方法通过采取以下措施,可以实现线性的、稳定的、精确的测试温度:

  • 具有专有夹具和校准工具的校准系统
  • 采用用于监控和控制分选机关键设置参数的测试机器,比如浸泡时间和隔温罩吹气温度
  • 采用用新型接触器设计方案
  • 用于测试软硬件的增强版设计规格

超越现状

新型解决方案的效果尤为引人注目。我们的测试结果显示出:在温度线性和精度两个方面均有明显的提升。图4 显示了分别在150°C、125°C 和 -40°C 时,TJ 测试温度的表征。采用新一代 MPS 独有测试方法,几乎没有造成任何温度的下降,而且持续线性度

MPS Proprietary AECQ Testing Temperature Performance

图4:采用MPS 专有 AECQ 方法测试温度性能

此种增强版的温度测试方法优势很明显:QA抽检失效的减少,使得生产扣留批次数量随之减少,继而降低了处理扣留批次的工时,普遍增加了制造的产能。更加一致的生产制造条件和更加精确的测试特性,大大提高了批次的良率。一般来说,在初始批次生产环节,由于操作员设置了不正确的温度而导致的错误也会相应减少。

结论

汽车可靠性的重担最终将取决于 IC 制造商是否能够准确,精确地测试产品。然而,传统的温度测试方法存在如此大的温差,如何能保证结果的可靠性和精确度呢?MPS 通过使用新专利技术--温度测试系统(正在申请专利中)完美地解决了这一难题,可以保证芯片测试温度是真正的结温(TJ)。而且我们已经在所有的 MPS 工业和汽车电子产品上采用了这种温度测试方法,以确保数据手册中的参数按规格进行测试。该测试系统能使汽车级元器件的测试质量高度准确,力求助力 MPS 产品达到零缺陷的黄金标准。

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