CN112765859B - 一种基于自动测试机的温度管理方法 - Google Patents

一种基于自动测试机的温度管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体测试技术领域，具体地说是一种基于自动测试机的温度管理方法。具体流程如下：1：建立一个数学模型；2：进行仿真计算；3：分析预测结果，判断温度是否均匀且稳定，如果温度均匀温度，则跳转到步骤7，否则执行下一步；4：根据预测结果，推导出风扇转速调节的优化方案；5：比对新的优化方案和上一次的优化方案是否有差异，如果没有差异，则跳转到步骤7，否则执行下一步；6：将优化方案的风扇转速作为新的要素条件，重新执行步骤1~5；7：当前的风扇转速控制方案存档作为最终优化方案。同现有技术相比，根据一系列的数学建模及仿真计算，合理的推导出最优的温度管理方案，延长自动测试的使用寿命。

Description

一种基于自动测试机的温度管理方法
技术领域
本发明涉及半导体测试技术领域，具体地说是一种基于自动测试机的温度管理方法。
背景技术
半导体自动测试机台提供大量的测试针脚。每个针脚背后都连接一套确定种类的测试电路。测试针脚与被测芯片的引脚一对一相连，测试机台运行测试程序，产生预定义的激励信号给到被测芯片的输入引脚，并测量芯片的所有相连引脚的电压电流的反应，判断是否符合预期。
在此过程中，机台内部的测试电路大量发热需要及时排出。为了保证设备安全，系统散热设计往往按照最大理论发热量来设计。由于模块化设计，每个子模块都要按照最恶劣的场景设计。其代价是结构设计难度增加，系统体积，重量，风扇噪音等问题。但实际上，真实的发热情况和测试程序高度相关。如果根据测试程序能预判测试机台内部的不同空间的发热情况，则可以优化测试程序使机台内部发热均衡，进而有机会硬件设计不按照最大理论发热量设计散热，而是发现测试程序不合理会导致局部过热时，提出警示，通过优化测试程序来符合系统的散热约束。
在整个测试程序运行过程中，测试机台的每个测试针脚的电压电流规律都是有明确的预期。如果被测芯片行为完全符合预期，则对测试机台每个针脚背后的测试电路的功耗也是完全可以预期的。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提供一种基于自动测试机的温度管理方法，根据一系列的数学建模及仿真计算，合理的推导出最优的温度管理方案，延长自动测试的使用寿命。
为实现上述目的，设计一种基于自动测试机的温度管理方法，包括自动测试机，其特征在于：具体流程如下：
步骤1：根据建立数学模型的方法，结合各种要素条件，建立一个系统分布式温度预测的数学模型；
步骤2：根据该数学模型进行仿真计算，得到系统分布式温度变化的预测结果；
步骤3：分析预测结果，判断温度是否均匀且稳定，如果温度均匀温度，则跳转到步骤7，否则执行下一步；
步骤4：根据预测结果，推导出风扇转速调节的优化方案；
步骤5：比对新的优化方案和上一次的优化方案是否有差异，如果没有差异，则跳转到步骤7，否则执行下一步；
步骤6：将优化方案的风扇转速作为新的要素条件，其他要素条件不变，重新执行步骤1~5；
步骤7：当前的风扇转速控制方案存档作为最终优化方案。
所述的建立数学模型的方法，具体流程如下：
步骤1：结合单元电路特征，分析测试程序，得出单元电路瞬态Vout和Iout的值；
步骤2：建立单元电路瞬态功耗模型；
步骤3：建立单元电路功耗模型；
步骤4：建立单模块2D功耗模型；
步骤5：结合热传导模型和风冷模型，建立单模块3D有限元温度模型；
步骤6：建立系统3D有限元温度模型。
所述的步骤1的具体方法如下：
（1）能够结合单元电路特征，分析测试程序，得出单元电路瞬态Vout和Iout的值；
（2）根据自动测试机设计，针对9种类单元电路，名称为PE、 DPS、PMU、 HV、HSAWG、HRAWG、FMU、HSDTZ、HRDTZ；
（3）被测芯片的规格参数有若干已知量或者标准量，从中导出VDD、IDD、Rload；
（4）对于名称为PE的单元电路，是自动测试机的最主要的发热源，应用PE瞬态工作模型得出Vout和Iout的值；
（5）对于名称为DPS的单元电路，Vout=VDD、 Iout=IDD；
（6）对于名称为PMU、HV、HSAWG、HRAWG的单元电路，Vout直接由测试程序导入，即测试程序在使用这些单元电路的时候均会明确设定Vout，Iout=Vout/Rload；
（7）对于名称为FMU、HSDTZ、HRDTZ的单元电路，Vout=0，Iout=0。
所述的步骤2的具体方法如下：
（1）设置单元电路内部的等效输出电阻为Rs；
（2）计算Rs发热量：已知单元电路的供电电压Vps，瞬态输出电压Vout，瞬态输出电流Iout，则Rs的瞬态功耗为P_Rs=（Vps-Vout）×Iout；
（3）单元电路的瞬态功耗模型的公式：发热功耗=静态功耗+动态发热功耗=静态功耗+（供电电压-输出电压）×输出电流，即Psump=Ws+(Vps-Vout) × Iout，其中，Psump为发热功耗，Ws为电路静态功耗，Vps为测试电路供电电压，Vout为测试电路输出电压，Iout为输出电流。
所述的步骤3的具体方法如下：
（1）根据单元电路的瞬态功耗模型，以测试程序的主时钟的周期为时间单位，根据Vout(t)和Iout(t)转换为单元电路的发热功耗Psump(t)的时间变化曲线；
（2）以时间窗为单位进行功率积分，降低Psump(t)的时间分辨率，减少数据量，得出能够检索任意时刻单元的发热功耗的查找表；
（3）合并输出整个自动测试机所有单元电路的发热功耗查找表，得到能够索引系统所有单元电路在所有时刻的发热功耗的查找表。
所述的步骤4的具体方法如下：
（1）将每个模块简化视为片状矩形，为此建立2D模型；
（2）矩形面积被划分为m*n的小块矩形，根据模块上单元电路的面积和布局特征确定划分密度；
（3）根据坐标为每个小块矩形分配编号，建立索引表，表中存储数据为该矩形所属的单元电路；
（4）标定每种类单元电路的平均的占用面积，除以有限元的面积，换算为有限元数量；
（5）根据所述单元电路功耗模型获得的所述发热功耗的查找表，查找每种类单元电路的功耗，再除以其有限元数量，计算得出每个有限元的功耗。
所述的步骤5的具体方法如下：
（1）根据模块厚度，将所述单元模块功耗模型的2D模型简单扩展为3D模型，即所有2D有限元加入统一的高度参数，转换为3D有限元；
（2）根据公式：单位有限元的温度变化=单位时间内的热量变化/单位有限元的热容量；
（3）根据公式：单位时间内的热量变化=单位有限元自身发热+单位有限元与相邻有限元的热传导+风冷气流带来的热量变化；
（4）根据公式：单位有限元自身发热=单位有限元发热功耗*单位时间；
（5）根据公式：单位有限元与相邻有限元的热传导=∑相邻有限元温差*热传导系数*单位时间；
（6）根据公式：风扇气流带来的热量变化=气流温差*气流热交换系数*气流通量*单位有限元的截面积；
（7）根据公式：气流通量=风扇转速百分比*风扇最大风量/风扇占用风道截面积。
所述的步骤6的具体方法如下：
（1）将系统视为刀片式架构，将每个模块视为相同的外形，按照每个模块在系统的空间排布，将所述单元模块3D有限元温度模型组合为系统3D有限元温度模型；
（2）除去系统的外壳、供电模块及其他辅助结构，简化模型。
所述的步骤4的具体方法如下：
（1）设置风扇转速对应温度变化的调整系数，初始值设置为1%/℃，即每摄氏度风扇转数调整量为1%；
（2）设置风扇预调节时间提前量为5秒；
（3）使用有限元仿真计算的分布式温度预测的计算结果；
（4）从结果中统计每个风扇对应气流通道涉及的所有有限元的温度平均值的时间曲线；
（5）将温度平均值的时间曲线和目标稳定温度的差值，乘以风扇转速调整系数，转换成风扇转数调整量的时间曲线；
（6）将风扇转数调整量曲线在时间轴上提前5秒，然后和上一次的风扇转数控制曲线相加，生成新的风扇转数控制曲线；数值大于100%，则限制为100%，小于0则限制为0；
（7）对所有风扇应用方法步骤（1）~（6），生成所有风扇的新的转数控制曲线。
本发明同现有技术相比，提供一种基于自动测试机的温度管理方法，根据一系列的数学建模及仿真计算，合理的推导出最优的温度管理方案，延长自动测试的使用寿命。
附图说明
图1为本发明建模推导过程流程图。
图2为被测芯片每个引脚的参数表。
图3为单元电路的功耗模型的等效电路图。
图4为单元电路的瞬态功耗模型参数表。
具体实施方式
下面根据附图对本发明做进一步的说明。
一种基于自动测试机的温度管理方法，包括自动测试机，具体流程如下：
步骤1：根据建立数学模型的方法，结合各种要素条件，建立一个系统分布式温度预测的数学模型；
步骤2：根据该数学模型进行仿真计算，得到系统分布式温度变化的预测结果；
步骤3：分析预测结果，判断温度是否均匀且稳定，如果温度均匀温度，则跳转到步骤7，否则执行下一步；
步骤4：根据预测结果，推导出风扇转速调节的优化方案；
（1）设置风扇转速对应温度变化的调整系数，初始值设置为1%/℃，即每摄氏度风扇转数调整量为1%；
（2）设置风扇预调节时间提前量为5秒；
（3）使用有限元仿真计算的分布式温度预测的计算结果；
（4）从结果中统计每个风扇对应气流通道涉及的所有有限元的温度平均值的时间曲线；
（5）将温度平均值的时间曲线和目标稳定温度的差值，乘以风扇转速调整系数，转换成风扇转数调整量的时间曲线；
（6）将风扇转数调整量曲线在时间轴上提前5秒，然后和上一次的风扇转数控制曲线相加，生成新的风扇转数控制曲线；数值大于100%，则限制为100%，小于0则限制为0；
（7）对所有风扇应用方法步骤（1）~（6），生成所有风扇的新的转数控制曲线。
步骤5：比对新的优化方案和上一次的优化方案是否有差异，如果没有差异，则跳转到步骤7，否则执行下一步；
步骤6：将优化方案的风扇转速作为新的要素条件，其他要素条件不变，重新执行步骤1~5；
步骤7：当前的风扇转速控制方案存档作为最终优化方案。当系统实际运行时，依据该方案来控制机台内部每个风扇的转速，从而达到测试机台内部温度均匀稳定的效果。
如图1所示，建立数学模型的方法，具体流程如下：
步骤1：结合单元电路特征，分析测试程序，得出单元电路瞬态Vout和Iout的值；
（1）能够结合单元电路特征，分析测试程序，得出单元电路瞬态Vout和Iout的值；
（2）根据自动测试机设计，针对9种类单元电路，名称为PE、 DPS、PMU、 HV、HSAWG、HRAWG、FMU、HSDTZ、HRDTZ；
（3）被测芯片的规格参数有若干已知量或者标准量，从中导出VDD、IDD、Rload；
（4）对于名称为PE的单元电路，是自动测试机的最主要的发热源，应用PE瞬态工作模型得出Vout和Iout的值；被测芯片的规格参数有若干已知量或标准量，从中可以导出被测芯片每个引脚的这些参数：VIL、IIL、VIH、IIH、VOH、IOH、VOL、IOL，如图2所示。PE有定义6个工作状态：0，1，C，K，H，L，含义是输出0，输出1，输出正脉冲，输出负脉冲，检测1，检测0。测试程序的每一步都有设定PE的状态并执行一个时钟周期，因此在每个时钟周期PE处于其中一个状态。在各种状态下的Vout和Iout由图2显示的表给出。
（5）对于名称为DPS的单元电路，Vout=VDD、 Iout=IDD；
（6）对于名称为PMU、HV、HSAWG、HRAWG的单元电路，Vout直接由测试程序导入，即测试程序在使用这些单元电路的时候均会明确设定Vout，Iout=Vout/Rload；
（7）对于名称为FMU、HSDTZ、HRDTZ的单元电路，Vout=0，Iout=0；
步骤2：建立单元电路瞬态功耗模型；
（1）如图3所示，每类单元电路的功耗模型的等效电路，设置单元电路内部的等效输出电阻为Rs；
（2）计算Rs发热量：已知单元电路的供电电压Vps，瞬态输出电压Vout，瞬态输出电流Iout，则Rs的瞬态功耗为P_Rs=（Vps-Vout）×Iout；
（3）单元电路的瞬态功耗模型的公式：发热功耗=静态功耗+动态发热功耗=静态功耗+（供电电压-输出电压）×输出电流，即Psump=Ws+(Vps-Vout) × Iout，其中，Psump为发热功耗，Ws为电路静态功耗，Vps为测试电路供电电压，Vout为测试电路输出电压，Iout为输出电流。其中Ws，Vps是固定值，只和测试电路种类有关，与测试程序无关。测试机台已经事先标定了每种类单元电路的功耗模型参数，保存为常量，具体实例如图4表格所示。Vps的具体标定过程是用电压表直接测量获得。Ws的具体标定过程，是将单元电路在断电状态和静态工作状态之间切换，看系统总功耗变化量得出。
步骤3：建立单元电路功耗模型；
（1）根据单元电路的瞬态功耗模型，以测试程序的主时钟的周期为时间单位，根据Vout(t)和Iout(t)转换为单元电路的发热功耗Psump(t)的时间变化曲线；
（2）以时间窗（默认1秒）为单位进行功率积分，降低Psump(t)的时间分辨率，减少数据量，得出能够检索任意时刻单元的发热功耗的查找表；
（3）合并输出整个自动测试机所有单元电路的发热功耗查找表，得到能够索引系统所有单元电路在所有时刻的发热功耗的查找表。
步骤4：建立单模块2D（二维空间）功耗模型；
（1）将每个模块简化视为片状矩形，为此建立2D模型；
（2）矩形面积被划分为m*n的小块矩形，根据模块上单元电路的面积和布局特征确定划分密度；
（3）根据坐标为每个小块矩形分配编号，建立索引表，表中存储数据为该矩形所属的单元电路（包括电路种类和具体编号）；
（4）标定每种类单元电路的平均的占用面积，除以有限元的面积，换算为有限元数量；
（5）根据所述单元电路功耗模型获得的所述发热功耗的查找表，查找每种类单元电路的功耗，再除以其有限元数量，计算得出每个有限元的功耗。
例如：某单元电路功耗为W，其电路面积相当于100个有限元面积，则该单元电路的每个有限元功耗为W÷100。根据有限元编号，索引到其所属单元电路的功耗W，即可算出该编号的有限元的功耗W_o 。
步骤5：结合热传导模型和风冷模型，建立单模块3D（三维空间）有限元温度模型；
（1）根据模块厚度，将所述单元模块功耗模型的2D模型简单扩展为3D模型，即所有2D有限元加入统一的高度参数，转换为3D有限元；
（2）根据公式：单位有限元的温度变化=单位时间内的热量变化/单位有限元的热容量；
（3）根据公式：单位时间内的热量变化=单位有限元自身发热+单位有限元与相邻有限元的热传导+风冷气流带来的热量变化；
（4）根据公式：单位有限元自身发热=单位有限元发热功耗*单位时间；
（5）根据公式：单位有限元与相邻有限元的热传导=∑相邻有限元温差*热传导系数*单位时间；
（6）根据公式：风扇气流带来的热量变化=气流温差*气流热交换系数*气流通量*单位有限元的截面积；
（7）根据公式：气流通量=风扇转速百分比*风扇最大风量/风扇占用风道截面积。
步骤6：建立系统3D有限元温度模型。
（1）将系统视为刀片式架构，将每个模块视为相同的外形，按照每个模块在系统的空间排布，将所述单元模块3D有限元温度模型组合为系统3D有限元温度模型；
（2）除去系统的外壳、供电模块及其他辅助结构，简化模型。

Claims (7)

1.一种基于自动测试机的温度管理方法，包括自动测试机，其特征在于：具体流程如下：
步骤1：根据建立数学模型的方法，结合各种要素条件，建立一个系统分布式温度预测的数学模型；
步骤2：根据该数学模型进行仿真计算，得到系统分布式温度变化的预测结果；
步骤3：分析预测结果，判断温度是否均匀且稳定，如果温度均匀温度，则跳转到步骤7，否则执行下一步；
步骤4：根据预测结果，推导出风扇转速调节的优化方案；
步骤5：比对新的优化方案和上一次的优化方案是否有差异，如果没有差异，则跳转到步骤7，否则执行下一步；
步骤6：将优化方案的风扇转速作为新的要素条件，其他要素条件不变，重新执行步骤1～5；
步骤7：当前的风扇转速控制方案存档作为最终优化方案；
所述的建立数学模型的方法，具体流程如下：
步骤11：结合单元电路特征，分析测试程序，得出单元电路瞬态Vout和Iout的值；
步骤12：建立单元电路瞬态功耗模型；
步骤13：建立单元电路功耗模型；
步骤14：建立单模块2D功耗模型；
步骤15：结合热传导模型和风冷模型，建立单模块3D有限元温度模型；
步骤16：建立系统3D有限元温度模型；
所述的步骤4的具体方法如下：
步骤41：设置风扇转速对应温度变化的调整系数，初始值设置为1％/℃，即每摄氏度风扇转数调整量为1％；
步骤42：设置风扇预调节时间提前量为5秒；
步骤43：使用有限元仿真计算的分布式温度预测的计算结果；
步骤44：从结果中统计每个风扇对应气流通道涉及的所有有限元的温度平均值的时间曲线；
步骤45：将温度平均值的时间曲线和目标稳定温度的差值，乘以风扇转速调整系数，转换成风扇转数调整量的时间曲线；
步骤46：将风扇转数调整量曲线在时间轴上提前5秒，然后和上一次的风扇转数控制曲线相加，生成新的风扇转数控制曲线；数值大于100％，则限制为100％，小于0则限制为0；
步骤47：对所有风扇应用方法步骤41～46，生成所有风扇的新的转数控制曲线。
2.根据权利要求1所述的一种基于自动测试机的温度管理方法，其特征在于：所述的步骤11的具体方法如下：
(1)能够结合单元电路特征，分析测试程序，得出单元电路瞬态Vout和Iout的值；
(2)根据自动测试机设计，针对9种类单元电路，名称为PE、DPS、PMU、HV、HSAWG、HRAWG、FMU、HSDTZ、HRDTZ；
(3)被测芯片的规格参数有若干已知量或者标准量，从中导出VDD、IDD、Rload；
(4)对于名称为PE的单元电路，是自动测试机的最主要的发热源，应用PE瞬态工作模型得出Vout和Iout的值；
(5)对于名称为DPS的单元电路，Vout＝VDD、Iout＝IDD；
(6)对于名称为PMU、HV、HSAWG、HRAWG的单元电路，Vout直接由测试程序导入，即测试程序在使用这些单元电路的时候均会明确设定Vout，
Iout＝Vout/Rload；
(7)对于名称为FMU、HSDTZ、HRDTZ的单元电路，Vout＝0，Iout＝0。
3.根据权利要求1所述的一种基于自动测试机的温度管理方法，其特征在于：所述的步骤12的具体方法如下：
(1)设置单元电路内部的等效输出电阻为Rs；
(2)计算Rs发热量：已知单元电路的供电电压Vps，瞬态输出电压Vout，瞬态输出电流Iout，则Rs的瞬态功耗为P_Rs＝(Vps-Vout)×Iout；
(3)单元电路的瞬态功耗模型的公式：发热功耗＝静态功耗+动态发热功耗＝静态功耗+(供电电压-输出电压)×输出电流，即Psump＝Ws+(Vps-Vout)×Iout，其中，Psump为发热功耗，Ws为电路静态功耗，Vps为测试电路供电电压，Vout为测试电路输出电压，Iout为输出电流。
4.根据权利要求1所述的一种基于自动测试机的温度管理方法，其特征在于：所述的步骤13的具体方法如下：
(1)根据单元电路的瞬态功耗模型，以测试程序的主时钟的周期为时间单位，
根据Vout(t)和Iout(t)转换为单元电路的发热功耗Psump(t)的时间变化曲线；
(2)以时间窗为单位进行功率积分，降低Psump(t)的时间分辨率，减少数据量，
得出能够检索任意时刻单元的发热功耗的查找表；
(3)合并输出整个自动测试机所有单元电路的发热功耗查找表，得到能够索引系统所有单元电路在所有时刻的发热功耗的查找表。
5.根据权利要求1所述的一种基于自动测试机的温度管理方法，其特征在于：所述的步骤14的具体方法如下：
(1)将每个模块简化视为片状矩形，为此建立2D模型；
(2)矩形面积被划分为m*n的小块矩形，根据模块上单元电路的面积和布局特征确定划分密度；
(3)根据坐标为每个小块矩形分配编号，建立索引表，表中存储数据为该矩形所属的单元电路；
(4)标定每种类单元电路的平均的占用面积，除以有限元的面积，换算为有限元数量；
(5)根据单元电路功耗模型获得的发热功耗的查找表，查找每种类单元电路的功耗，再除以其有限元数量，计算得出每个有限元的功耗。
6.根据权利要求1所述的一种基于自动测试机的温度管理方法，其特征在于：所述的步骤15的具体方法如下：
(1)根据模块厚度，将单元模块功耗模型的2D模型简单扩展为3D模型，即所有2D有限元加入统一的高度参数，转换为3D有限元；
(2)根据公式：单位有限元的温度变化＝单位时间内的热量变化/单位有限元的热容量；
(3)根据公式：单位时间内的热量变化＝单位有限元自身发热+单位有限元与相邻有限元的热传导+风冷气流带来的热量变化；
(4)根据公式：单位有限元自身发热＝单位有限元发热功耗*单位时间；
(5)根据公式：单位有限元与相邻有限元的热传导＝∑相邻有限元温差*热传导系数*单位时间；
(6)根据公式：风扇气流带来的热量变化＝气流温差*气流热交换系数*气流通量*单位有限元的截面积；
(7)根据公式：气流通量＝风扇转速百分比*风扇最大风量/风扇占用风道截面积。
7.根据权利要求1所述的一种基于自动测试机的温度管理方法，其特征在于：所述的步骤16的具体方法如下：
(1)将系统视为刀片式架构，将每个模块视为相同的外形，按照每个模块在系统的空间排布，将单元模块3D有限元温度模型组合为系统3D有限元温度模型；
(2)除去系统的外壳、供电模块及其他辅助结构，简化模型。
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