CN117091316B - 高低温工况模拟模块、芯片可靠性自动化测试系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高低温工况模拟模块、芯片可靠性自动化测试系统及方法，该高低温工况模拟模块包括壳体、TEC制冷及制热设备、PID调节装置和液冷散热器；TEC制冷及制热设备、PID调节装置和液冷散热器均设置在壳体内部；当需要对待测芯片进行测试时，TEC制冷及制热设备放置在待测芯片上方；PID调节装置用于根据预设的高温或低温，控制TEC制冷及制热设备的输入功率，以实现待测芯片在高温或低温环境下的可靠性测试；或者，PID调节装置用于通过改变TEC制冷及制热设备的输入电压方向，实现制冷与制热之间的切换，以在高低温快速转换环境下对待测芯片进行可靠性测试。本发明能够降低功耗和提高测试效率。
Description
技术领域
本发明涉及芯片测试技术领域，特别是一种高低温工况模拟模块、芯片可靠性自动化测试系统及方法。
背景技术
在芯片可靠性测试过程中，芯片需要分别置于高低温环境以及在高温和低温环境之间进行循环切换，以测试芯片在极端温度或者温度大范围急剧变换工况下的电气参数稳定性和功能稳定性等。现有的由温控箱模拟极端高低温工况的测试方案中，存在几个问题：（1）需要将芯片测试电路板（例如，印制电路板）、引线及夹具等机械结构件同时置于极端温度环境中，增加了不必要性，而且附属器件可能在极端温度环境下受到损伤，从而影响芯片可靠性测试结果的准确性；（2）由温控箱实现高低温环境切换以及将芯片及附属测试装置送入高低温环境内及从中取出时操作效率低，影响生产率；（3）温控箱占用空间及内部腔室体积均较大，无法提供稳定的环境温度参数且消耗功率较大。
发明内容
鉴于此，本发明提出了一种高低温工况模拟模块、芯片可靠性自动化测试系统及方法，通过对芯片周围局部空间进行温控，以高效和节能地完成芯片测试。
本发明公开了一种高低温工况模拟模块，其包括壳体、TEC（Thermoelectriccooler，热电制冷器）制冷及制热设备、PID（Proportional Integral Derivative，比例、积分和微分）调节装置和液冷散热器；TEC制冷及制热设备、PID调节装置和液冷散热器均设置在壳体内部；
当需要对待测芯片进行测试时，TEC制冷及制热设备放置在待测芯片上方；PID调节装置用于根据预设的高温或低温，控制TEC制冷及制热设备的输入功率，以实现待测芯片在高温或低温环境下的可靠性测试；
或者，PID调节装置用于通过改变TEC制冷及制热设备的输入电压方向，实现制冷与制热之间的切换，以在高低温快速转换环境下对待测芯片进行可靠性测试。
进一步地，还包括设在壳体内部的液冷散热器以及温度传感器；
液冷散热器位于TEC制冷及制热设备上方；液冷散热器用于吸收TEC制冷及制热设备工作时产生的热量，并将吸收的热量通过壳体上的散热孔传递至壳体外部；
温度传感器用于将待测芯片周围的温度传输至PID调节装置；
PID调节装置用于比较待测芯片周围的温度与预设的高温或低温，若待测芯片周围的温度未达到预设的高温或低温，则产生控制信号，控制TEC制冷及制热设备进行加热或制冷，以使待测芯片周围的温度达到预设的高温或低温；
或者，PID调节装置用于实时获取待测芯片周围的温度，以便于在待测芯片周围进行高低温环境快速转换。
进一步地，所述TEC制冷及制热设备由依次层叠设置的陶瓷散热面、实现热量传递的半导体元件和实现制冷及制热的陶瓷温控面组成；其中，陶瓷温控面靠近待测芯片，陶瓷散热面靠近液冷散热器。
进一步地，当对待测芯片进行可靠性测试时，待测芯片容纳在壳体内部，且位于陶瓷温控面下方。
本发明还公开了一种实现局部温控的芯片可靠性自动化测试系统，其包括上述任一项所述的高低温工况模拟模块和抓取组件；
抓取组件用于将多个高低温工况模拟模块分别放置在不同电路板中的待测芯片上方；各高低温工况模拟模块用于在高温或低温或高低温快速转换环境下，对待测芯片进行可靠性测试；其中，高低温工况模拟模块与待测芯片一一对应。
进一步地，当高低温工况模拟模块放置在待测芯片上方时，待测芯片容纳在壳体内，与TEC制冷及制热设备的陶瓷散热面相对放置。
进一步地，所述抓取组件包括第一气动导轨、第二气动导轨、第三气动导轨、第一滑块、第二滑块、十字滑块和气动吸盘；
第一气动导轨、第二气动导轨和第三气动导轨两两之间彼此垂直；第二气动导轨通过设置在第一气动导轨上的第一滑块，以在第一气动导轨上运动；第二气动导轨通过十字滑块与第三气动导轨连接；气动吸盘通过设置在第三气动导轨上的第二滑块，以相对于第三气动导轨进行运动；
气动吸盘用于将抓取的高低温工况模拟模块分别转移至多个待测芯片上方。
进一步地，所述气动吸盘通过连接轴与第二滑块连接；
所述气动吸盘通过第二滑块实现左右运动；气动吸盘通过第一滑块实现前后运动；气动吸盘通过连接轴与第二滑块的相对运动，实现上下运动。
本发明还公开了一种适用于上述任一项所述的实现局部温控的芯片可靠性自动化测试系统的方法，所述方法包括：
抓取组件的气动吸盘将抓取的各高低温工况模拟模块分别放置在不同电路板中的待测芯片上方；
温度传感器将待测芯片周围的温度传输至PID调节装置；
PID调节装置比较待测芯片周围的温度与预设的高温或低温，若待测芯片周围的温度未达到预设的高温或低温，则产生控制信号，控制TEC制冷及制热设备进行加热或制冷，使待测芯片周围的温度达到预设的高温或低温，以进行芯片的可靠性测试；
或者，PID调节装置实时获取待测芯片周围的温度，在待测芯片周围进行高低温环境快速转换，以进行芯片的可靠性测试。
进一步地，所述抓取组件的气动吸盘将各高低温工况模拟模块按序依次放置在不同的待测芯片上方，以按照所需顺序对不同待测芯片依次进行测试；
或者，抓取组件的气动吸盘将抓取的各高低温工况模拟模块，分别放置在各待测芯片上方，以同时测试多个待测芯片。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
1.将通过自动化抓取的高低温工况模拟模块分别放置于待测芯片上方，同时将高温与低温测试空间缩小到待测芯片周围极小的空间（长宽高可以均为3厘米）内，能够高效地控制待测芯片的工作环境温度，从而降低了功耗；此外，可并行测试多个待测芯片，提高了测试效率。
2.三自由度的气动吸盘将抓取的高低温工况模拟模块分别放置在待测芯片上方，然后在待测芯片周围局部空间内模拟高温或低温工况，以进行芯片可靠性测试；无需将芯片测试电路板、引线及夹具等机械结构件同时置于温控箱等测试环境中。
3.能够实现在工作环境温度急剧变化工况下对待测芯片的可靠性测试，避免了由温控箱实现高低温环境切换，将芯片及测试装置送入高温或低温环境内，以及将芯片及测试装置从高温或低温环境中取出，所造成的操作效率低和影响生产率的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明实施例中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的一种实现局部温控的芯片可靠性自动化测试系统示意图；
图2为本发明实施例的一种高低温工况模拟模块示意图；
图3为本发明实施例的一种可实现局部温控的芯片可靠性自动化测试方法示意图；
图4为本发明实施例的一种可实现局部温控的芯片可靠性自动化测试方法示意图。
附图标记：1-第一滑块，2-第二滑块，3-十字滑块，4-第一气动导轨，5-第二气动导轨，6-第三气动导轨，7-气动吸盘，8-高低温工况模拟模块，9-待测芯片，10-印制电路板，11-液冷散热器，12-陶瓷散热面，13-半导体元件，14-陶瓷温控面，15-散热孔，16-PID调节装置，17-壳体，18-温度传感器。
具体实施方式
结合附图和实施例对本发明作进一步说明，所描述的实施例仅是本发明实施例一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明实施例保护的范围。
参见图2，本发明提供了一种高低温工况模拟模块8的实施例，其包括壳体17、TEC制冷及制热设备、PID调节装置16和液冷散热器11；TEC制冷及制热设备、PID调节装置16和液冷散热器11均设置在壳体17内部；
当需要对待测芯片9进行测试时，TEC制冷及制热设备放置在待测芯片9上方；PID调节装置16用于根据预设的高温（85℃→125℃）或低温（-55℃→-40℃），控制TEC制冷及制热设备的输入功率，以实现待测芯片9在高温或低温环境下的可靠性测试；或者，PID调节装置16用于通过改变TEC制冷及制热设备的输入电压方向，实现制冷与制热之间的切换，以在高低温快速转换环境下对待测芯片9进行可靠性测试。
本实施例中，还包括设在壳体17内部的液冷散热器11以及温度传感器18；
液冷散热器11位于TEC制冷及制热设备上方；液冷散热器11用于吸收TEC制冷及制热设备工作时产生的热量，并将吸收的热量通过壳体17上的散热孔15传递至壳体17外部；
温度传感器18用于将待测芯片9周围的温度传输至PID调节装置16；
PID调节装置16用于比较待测芯片9周围的温度与预设的高温或低温，若待测芯片9周围的温度未达到预设的高温或低温，则产生控制信号，控制TEC制冷及制热设备进行加热或制冷，以使待测芯片9周围的温度达到预设的高温或低温；或者，PID调节装置16用于实时获取待测芯片9周围的温度，以便于在待测芯片9周围进行高低温环境快速转换。
本实施例中，TEC制冷及制热设备由依次层叠设置的陶瓷散热面12、实现热量传递的半导体元件13和实现制冷及制热的陶瓷温控面14组成；其中，陶瓷温控面14靠近待测芯片9，陶瓷散热面12靠近液冷散热器11。
本实施例中，当对待测芯片9进行可靠性测试时，待测芯片9容纳在壳体17内部，且位于陶瓷温控面14下方。
参见图1，本发明还公开了一种实现局部温控的芯片可靠性自动化测试系统的实施例，其包括上述实施例中的高低温工况模拟模块8、抓取组件；
抓取组件用于将多个高低温工况模拟模块8分别放置在不同电路板（例如印制电路板10）中的待测芯片9上方；各高低温工况模拟模块8用于在高温或低温或高低温快速转换环境下，对待测芯片9进行可靠性测试；其中，高低温工况模拟模块8与待测芯片9一一对应。
本实施例中，当高低温工况模拟模块8放置在待测芯片9上方时，待测芯片9容纳在壳体17内，与TEC制冷及制热设备的陶瓷散热面12相对放置。
本实施例中，抓取组件包括第一气动导轨4、第二气动导轨5、第三气动导轨6、第一滑块1、第二滑块2、十字滑块3和气动吸盘7；
第一气动导轨4、第二气动导轨5和第三气动导轨6两两之间彼此垂直；第二气动导轨5通过设置在第一气动导轨4上的第一滑块1，以在第一气动导轨4上运动；第二气动导轨5通过十字滑块3与第三气动导轨6连接；气动吸盘7通过设置在第三气动导轨6上的第二滑块2，以相对于第三气动导轨6进行运动；
气动吸盘7用于将抓取的高低温工况模拟模块8分别转移至多个待测芯片9上方。
本实施例中，气动吸盘7通过连接轴与第二滑块2连接；
气动吸盘7通过第二滑块2实现左右运动；气动吸盘7通过第一滑块1实现前后运动；气动吸盘7通过连接轴与第二滑块2的相对运动，实现上下运动。
基于上述实施例，参见图3和图4，本发明还公开了一种可实现局部温控的芯片可靠性自动化测试方法的实施例，其包括：
抓取组件的气动吸盘7将抓取的各高低温工况模拟模块8分别放置在不同电路板中的待测芯片9上方；
温度传感器18将待测芯片9周围的温度传输至PID调节装置16；
PID调节装置16比较待测芯片9周围的温度与预设的高温或低温，若待测芯片9周围的温度未达到预设的高温或低温，则产生控制信号，控制TEC制冷及制热设备进行加热或制冷，使待测芯片9周围的温度达到预设的高温或低温，以进行芯片的可靠性测试；或者，PID调节装置16实时获取待测芯片9周围的温度，在待测芯片9周围进行高低温环境快速转换，以进行芯片的可靠性测试。
可选地，PID调节装置16所采用的控制算法的实现过程可以为：使用HDL（Digitalhardware language，数字硬件语言），例如Verilog（硬件描述语言）或VHDL（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，超高速集成电路硬件描述语言），在FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程逻辑门阵列）上实现PID控制算法的计算逻辑，其包括计算PID调节装置16的输出值，并将该输出值与期望温度值进行比较，以产生控制信号。
可选地，温度传感器18将高低温工况模拟模块8内部腔室的温度传输至基于FPGA上实现的PID调节装置16，PID调节装置16根据预先设置好的高温或低温，控制TEC制冷及制热设备的输入功率大小，实现恒温控制，模拟高温或低温工况。
PID调节装置16的控制原理如下：
其中，、/>、/>分别为比例、积分和微分增益，/>为温度误差，/>为时间。
此外基于FPGA上实现的PID调节装置16可通过改变TEC制冷及制热设备的输入电压的方向，实现制冷与制热的切换，从而能够模拟高低温快速转换工况。
本实施例中，抓取组件的气动吸盘7将各高低温工况模拟模块8按序依次放置在不同的待测芯片9上方，以按照所需顺序对不同待测芯片9依次进行测试；
或者，抓取组件的气动吸盘7将抓取的各高低温工况模拟模块8，分别放置在各待测芯片9上方，以同时测试多个待测芯片9。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种高低温工况模拟模块，其特征在于，包括壳体、TEC制冷及制热设备、PID调节装置和液冷散热器；TEC制冷及制热设备、PID调节装置和液冷散热器均设置在壳体内部；
当需要对待测芯片进行测试时，TEC制冷及制热设备放置在待测芯片上方；PID调节装置用于根据预设的高温或低温，控制TEC制冷及制热设备的输入功率，以实现待测芯片在高温或低温环境下的可靠性测试；
或者，PID调节装置用于通过改变TEC制冷及制热设备的输入电压方向，实现制冷与制热之间的切换，以在高低温快速转换环境下对待测芯片进行可靠性测试；
还包括设在壳体内部的液冷散热器以及温度传感器；
液冷散热器位于TEC制冷及制热设备上方；液冷散热器用于吸收TEC制冷及制热设备工作时产生的热量，并将吸收的热量通过壳体上的散热孔传递至壳体外部；
温度传感器用于将待测芯片周围的温度传输至PID调节装置；
PID调节装置用于比较待测芯片周围的温度与预设的高温或低温，若待测芯片周围的温度未达到预设的高温或低温，则产生控制信号，控制TEC制冷及制热设备进行加热或制冷，以使待测芯片周围的温度达到预设的高温或低温；
或者，PID调节装置用于实时获取待测芯片周围的温度，以便于在待测芯片周围进行高低温环境快速转换；
所述TEC制冷及制热设备由依次层叠设置的陶瓷散热面、实现热量传递的半导体元件和实现制冷及制热的陶瓷温控面组成；其中，陶瓷温控面靠近待测芯片，陶瓷散热面靠近液冷散热器；
当对待测芯片进行可靠性测试时，待测芯片容纳在壳体内部，且位于陶瓷温控面下方；将高温与低温测试空间缩小到待测芯片周围极小的空间内。
2.一种实现局部温控的芯片可靠性自动化测试系统，其特征在于，包括如权利要求1任一项所述的高低温工况模拟模块和抓取组件；
抓取组件用于将多个高低温工况模拟模块分别放置在不同电路板中的待测芯片上方；各高低温工况模拟模块用于在高温或低温或高低温快速转换环境下，对待测芯片进行可靠性测试；其中，高低温工况模拟模块与待测芯片一一对应。
3.根据权利要求2所述的实现局部温控的芯片可靠性自动化测试系统，其特征在于，当高低温工况模拟模块放置在待测芯片上方时，待测芯片容纳在壳体内，与TEC制冷及制热设备的陶瓷温控面相对放置。
4.根据权利要求2所述的实现局部温控的芯片可靠性自动化测试系统，其特征在于，所述抓取组件包括第一气动导轨、第二气动导轨、第三气动导轨、第一滑块、第二滑块、十字滑块和气动吸盘；
第一气动导轨、第二气动导轨和第三气动导轨两两之间彼此垂直；第二气动导轨通过设置在第一气动导轨上的第一滑块，以在第一气动导轨上运动；第二气动导轨通过十字滑块与第三气动导轨连接；气动吸盘通过设置在第三气动导轨上的第二滑块，以相对于第三气动导轨进行运动；
气动吸盘用于将抓取的高低温工况模拟模块分别转移至多个待测芯片上方。
5.根据权利要求4所述的实现局部温控的芯片可靠性自动化测试系统，其特征在于，所述气动吸盘通过连接轴与第二滑块连接；
所述气动吸盘通过第二滑块实现左右运动；气动吸盘通过第一滑块实现前后运动；气动吸盘通过连接轴与第二滑块的相对运动，实现上下运动。
6.一种适用于权利要求2至5任一项所述的实现局部温控的芯片可靠性自动化测试系统的方法，其特征在于，所述方法包括：
抓取组件的气动吸盘将抓取的各高低温工况模拟模块分别放置在不同电路板中的待测芯片上方；
温度传感器将待测芯片周围的温度传输至PID调节装置；
PID调节装置比较待测芯片周围的温度与预设的高温或低温，若待测芯片周围的温度未达到预设的高温或低温，则产生控制信号，控制TEC制冷及制热设备进行加热或制冷，使待测芯片周围的温度达到预设的高温或低温，以进行芯片的可靠性测试；
或者，PID调节装置实时获取待测芯片周围的温度，在待测芯片周围进行高低温环境快速转换，以进行芯片的可靠性测试。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述抓取组件的气动吸盘将各高低温工况模拟模块按序依次放置在不同的待测芯片上方，以按照所需顺序对不同待测芯片依次进行测试；
或者，抓取组件的气动吸盘将抓取的各高低温工况模拟模块，分别放置在各待测芯片上方，以同时测试多个待测芯片。
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