摘要：為解決芯片在不同溫度下性能變化導(dǎo)致的可靠性問題以及相關(guān)系統(tǒng)在不同溫度下的穩(wěn)定性問題，對(duì)芯片寬溫測試進(jìn)行研究，在測試芯片選擇上提出通過芯片漏電流分布進(jìn)行篩選，并覆蓋工藝偏差導(dǎo)致的工藝角芯片，提升了不同性能芯片的覆蓋面；軟件策略以不同溫度的固定頻率下最小可運(yùn)行電壓（Vmin）及固定電壓下最大可運(yùn)行頻率（Fmax）為參考數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率電壓分檔，保證系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)兼顧常溫功耗最優(yōu)；測試方案上通過增加終端用戶寬溫使用場景來設(shè)計(jì)測試用例，更加貼合產(chǎn)品化需求；在測試前后對(duì)Fmax/Vmin/功耗/漏電流/功能等芯片電氣特性進(jìn)行跟蹤，有效地為芯片可靠性評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐。

關(guān)鍵詞：芯片；寬溫測試；可靠性；穩(wěn)定性

中圖分類號(hào)：TN407 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

芯片寬溫測試是指在不同溫度條件下對(duì)芯片進(jìn)行測試驗(yàn)證，以確保芯片及相關(guān)系統(tǒng)在極端條件下穩(wěn)定運(yùn)行，相較于消費(fèi)級(jí)產(chǎn)品，芯片需要更嚴(yán)格的溫度條件及測試標(biāo)準(zhǔn)。隨著技術(shù)的發(fā)展，寬溫芯片的應(yīng)用越來越廣泛，尤其在汽車、航天、工業(yè)、電力等領(lǐng)域，不同領(lǐng)域也對(duì)芯片工作的環(huán)境溫度范圍進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范。例如，汽車電子委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)AEC-Q100將溫度范圍分為5個(gè)等級(jí)：級(jí)別 0為-40～150℃；級(jí)別 1為-40～125℃；級(jí)別 2為-40～105℃；級(jí)別 3為-40～85℃；級(jí)別 4為0～70℃；同時(shí)，對(duì)芯片可靠性也提出了明確的要求，如高溫工作壽命（high temperature operating life，HTOL）、高溫存儲(chǔ)壽命（high temperature storage life，HTST）、溫度循環(huán)（temperature cycling，TC）等[1]，但缺乏產(chǎn)品應(yīng)用端的驗(yàn)證及測試過程中電氣特性的跟蹤。本文結(jié)合用戶場景對(duì)芯片進(jìn)行測試，保證終端產(chǎn)品在寬溫環(huán)境下的穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)通過對(duì)電氣參數(shù)、物理特性以及功耗變化進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，制定更全面的測試方案，規(guī)范硬件方案及軟件策略，提升了寬溫測試的全面性及有效性。此外，本文基于聯(lián)合電子設(shè)備工程委員會(huì)（Joint Electron Device Engineering Council，JEDEC）標(biāo)準(zhǔn)，優(yōu)化了寬溫芯片及相關(guān)軟件系統(tǒng)穩(wěn)定性和芯片特性變化等驗(yàn)證方法[2-3]。

1 芯片與硬件選擇

由于制造工藝偏差可導(dǎo)致芯片個(gè)體差異，寬溫測試需要盡可能覆蓋不同性能的芯片，印制線路板（printed circuit board，PCB）上的其他器件也需要符合寬溫測試溫度范圍。由于高低溫下芯片性能及電氣特性會(huì)發(fā)生變化，軟件策略也需要根據(jù)這些變化進(jìn)行調(diào)整。

1.1 芯片選擇

本文根據(jù)漏電流（leakage）分布對(duì)芯片進(jìn)行篩選，TT（typical NMOS，typical PMOS）芯片是至少覆蓋正態(tài)分布2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的芯片，在芯片選擇上還需要覆蓋其他4種工藝角類型：FF（fast NMOS，fast PMOS）、SS（slow NMOS，slow PMOS）、FS（fast NMOS，slow PMOS）、SF（slow NMOS，fast PMOS），并且根據(jù)測試數(shù)量均勻分布；在測試之前對(duì)測試芯片進(jìn)行最小可運(yùn)行電壓（Vmin）、最大可運(yùn)行頻率（Fmax）、功耗、leakage、功能等基礎(chǔ)信息進(jìn)行收集，便于在測試過程及測試結(jié)束后比較相關(guān)數(shù)據(jù)，判斷測試結(jié)果。

1.2 硬件選擇

根據(jù)測試溫度范圍進(jìn)行硬件選擇，如-40～85℃，測試硬件需要根據(jù)這個(gè)溫度范圍進(jìn)行其他器件選擇，主要影響器件包括雙倍速率同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器（double data rate synchronous dynamic random access memory，DDR SDRAM/DDR）、內(nèi)嵌式存儲(chǔ)器（embedded multi media card，eMMC）、晶振等；高性能芯片在高溫、高負(fù)載的情況下，需根據(jù)產(chǎn)品特性選擇加散熱片并約束客戶散熱行為。

2 軟件方案

芯片在高低溫下電氣特性會(huì)發(fā)生變化，如低溫下需要的Vmin會(huì)更大；高溫下功耗會(huì)逐步增大，芯片溫升變大，軟件需要保證其在高溫情況下工作性能正常，這可以通過主動(dòng)降頻、降壓處理，以防止芯片溫度過高導(dǎo)致觸發(fā)過溫機(jī)制和壽命損耗。

2.1 頻率電壓

在高低溫下，需要對(duì)不同性能芯片的Vmin進(jìn)行測試，覆蓋工藝角芯片，基于Vmin數(shù)據(jù)，軟件方案可以進(jìn)行對(duì)應(yīng)抬壓或降頻。由于在低溫下，溫升不是重要因素，建議最低電壓不低于集成電路（integrated circuit，IC）設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證電壓（singoff電壓）；在高溫下，溫升和功耗指標(biāo)較為重要，不能通過抬壓來保證穩(wěn)定性，因此可選擇降頻方案，但需要考慮產(chǎn)品端高溫條件的性能需求[3]。

2.2 軟件策略

根據(jù)Vmin的測試數(shù)據(jù)，寬溫軟件策略是在低溫時(shí)抬壓，主要考慮中央處理器（central processing unit，CPU）/圖形處理器（graphics processing unit，GPU）/DDR/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理單元（neural processing unit，NPU）/邏輯電路等主要穩(wěn)定性相關(guān)電源域，最低電壓需高于IC設(shè)計(jì)的singoff電壓，溫度閾值需根據(jù)每個(gè)溫度點(diǎn)Vmin數(shù)據(jù)來選擇。例如，當(dāng)芯片溫度傳感器檢測的溫度低于0℃時(shí)開始抬壓，高于0℃后則恢復(fù)至常溫所使用的頻率電壓；高溫下啟用溫控策略，在保證產(chǎn)品端高溫性能需求的同時(shí)進(jìn)行線性降頻，并保證芯片不過溫；高溫下DDR/eMMC等相關(guān)電子器件也存在穩(wěn)定性變化，需要根據(jù)JEDEC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行軟件調(diào)整，如高溫下抬高DDR刷新率。

3 測試方案

結(jié)合產(chǎn)品化場景，對(duì)芯片進(jìn)行存儲(chǔ)、冷熱循環(huán)、定值運(yùn)行、功能檢查等測試，根據(jù)測試結(jié)果來判斷芯片在高低溫環(huán)境下使用的穩(wěn)定性；在測試過程中同步跟蹤芯片電氣特性變化，根據(jù)電氣性能變化幅度判斷芯片是否出現(xiàn)可靠性異常。本文以AEC-Q100級(jí)別3：-40～85℃為例，進(jìn)行相關(guān)測試。

3.1 高低溫存儲(chǔ)測試

（1）目的：驗(yàn)證芯片/設(shè)備在-40℃和85℃環(huán)境下長時(shí)間儲(chǔ)藏后，芯片/設(shè)備的各項(xiàng)功能是否正常。

（2）測試用例：不上電，芯片/設(shè)備閑置在高低溫環(huán)境下，高低溫存儲(chǔ)測試方案如表1所示。

（3）測試結(jié)果判斷：測試前進(jìn)行芯片系統(tǒng)級(jí)測試（system level test，SLT），測試結(jié)束后復(fù)測SLT，判斷功能是否正常。

3.2 冷熱沖擊測試

（1）目的：驗(yàn)證芯片及相關(guān)軟件系統(tǒng)應(yīng)變的穩(wěn)定性。

（2）測試用例：視頻循環(huán)播放+變頻變壓，冷熱沖擊測試方案如表2所示。

（3）測試結(jié)果判斷：測試過程是否出現(xiàn)死機(jī)、重啟或其他功能模塊異常等情況。

3.3 冷熱循環(huán)測試

（1）目的：驗(yàn)證芯片及相關(guān)軟件系統(tǒng)在溫度循環(huán)下運(yùn)行是否穩(wěn)定。

（2）測試用例：上下電（芯片及系統(tǒng)啟動(dòng)）、50%負(fù)載+變頻變壓、用戶典型場景，冷熱循環(huán)測試方案如表3所示。

（3）測試結(jié)果判斷：測試過程是否出現(xiàn)死機(jī)、重啟或其他功能模塊異常等情況。

3.4 高低溫定值運(yùn)行測試

（1）目的：驗(yàn)證產(chǎn)品在-40℃和85℃環(huán)境溫度下長時(shí)間運(yùn)行是否正常。

（2）測試用例：上下電、變頻變壓、高負(fù)載、低負(fù)載、用戶典型場景、安卓系統(tǒng)（Android系統(tǒng)）自動(dòng)化測試，高低溫定值運(yùn)行場景用例如表4所示。

（3）測試結(jié)果判斷：設(shè)備正常運(yùn)行，在反復(fù)壓力測試過程中未出現(xiàn)死機(jī)、重啟或其他異常。

3.5 高低溫功能性驗(yàn)證

高低溫功能性驗(yàn)證是指驗(yàn)證芯片/設(shè)備在-40℃和85℃環(huán)境下，各功能模塊是否正常。從芯片角度出發(fā)，使用三溫機(jī)臺(tái)進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，使用芯片測試座/插座（Socket測試板）針對(duì)不同性能芯片進(jìn)行SLT功能檢驗(yàn)；從系統(tǒng)角度出發(fā)，根據(jù)芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)（datasheet）及硬件設(shè)計(jì)的板級(jí)功能設(shè)計(jì)測試用例，在規(guī)定溫度下進(jìn)行功能性驗(yàn)證，如MIPI/USB/TypeC/PCIE/HDMI/Wi-Fi/BT/以太網(wǎng)/Uart/耳機(jī)/TF卡/Camera等。

4 電氣特性跟蹤

溫度對(duì)芯片可靠性的影響較為顯著。在高溫條件下，芯片可能會(huì)遇到熱應(yīng)力問題，導(dǎo)致芯片內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如熱膨脹和熱疲勞，從而影響其性能和壽命。低溫則可能影響材料的電氣特性，如電阻率和介電常數(shù)，這可能會(huì)改變芯片的操作特性和功耗。

跟蹤寬溫測試過程中的芯片電氣特性變化是判斷芯片可靠性及壽命的重要指標(biāo)，通過分析該指標(biāo)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)早期失效的芯片或芯片設(shè)計(jì)缺陷，重點(diǎn)跟蹤Vmin、Fmax、leakage、功耗、功能等指標(biāo)數(shù)據(jù)（表5），并將其作為JEDEC測試中HTOL、HTST、TC等可靠性測試補(bǔ)充數(shù)據(jù)，用于評(píng)估芯片壽命[1]。

5 結(jié)語

本文在遵循JEDEC標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，對(duì)測試芯片的選擇進(jìn)行了規(guī)范，要求覆蓋不同性能的芯片用于測試，提升了寬溫測試的全面性。在軟件方案制定上，根據(jù)芯片在不同溫度下的Vmin、Fmax等性能數(shù)據(jù)，測試軟件進(jìn)行頻率和電壓分檔，進(jìn)一步提升軟件方案的穩(wěn)定性。在測試用例選擇上，根據(jù)用戶場景制定測試方案，在保證芯片可靠性的同時(shí)，確保用戶在溫度范圍內(nèi)能穩(wěn)定使用相關(guān)系統(tǒng)，優(yōu)化了寬溫測試的有效性和產(chǎn)品化需求。在寬溫測試前后，進(jìn)行芯片電氣特性的跟蹤，通過對(duì)比Vmin、Fmax、leakage、功耗、功能等數(shù)據(jù)，來評(píng)估芯片在寬溫測試前后的可靠性及性能變化。

參考文獻(xiàn)

[1] 任艷，周圣澤，王之哲，等. AEC-Q100 H版標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范解讀[J].電子產(chǎn)品可靠性與環(huán)境試驗(yàn)，2022，40（增刊1）：112-115.

[2] 孔憲偉，李秦華.集成電路測試與標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域研究綜述[J].信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2023（7）：39-43.

[3] 湯朔，李錕.集成電路國際標(biāo)準(zhǔn)分析[J].中國標(biāo)準(zhǔn)化，2021（增刊1）：170-177.