Fixture design (ICT/FCT)：驾驭AI芯片互连与载板PCB的封装与高速互连挑战

在人工智能（AI）和高性能计算（HPC）的浪潮下，AI芯片载板和PCB的设计复杂度呈指数级增长。高密度的互连、数万个BGA引脚、以及数百安培的瞬态电流需求，都对产品的质量与可靠性提出了前所未有的考验。在这一严苛背景下，卓越的 Fixture design (ICT/FCT) 不再是生产流程的末端环节，而是贯穿设计、制造与验证全生命周期的核心支柱，直接决定了AI硬件能否成功量产并稳定运行。

作为电源完整性工程师，我们深知每一个毫伏的电压跌落或皮秒级的时序偏差都可能导致灾难性的系统失效。因此，一个能够精确模拟真实工作环境、同时又不干扰被测单元（DUT）性能的测试治具，其重要性不言而喻。本文将深入探讨AI芯片载板背景下的 Fixture design (ICT/FCT)，剖析其在信号完整性、电源分配、机械精度以及与先进制造流程集成方面的关键挑战与解决方案。

AI载板测试为何如此复杂且关键？

传统的PCB测试方法在面对现代AI载板时显得力不从心。这些载板通常集成了2.5D/3D封装的AI加速器、HBM高带宽内存以及众多高速I/O接口，其复杂性体现在以下几个方面：

超高密度与精细间距：AI芯片的BGA焊球间距已缩小至0.4mm甚至更小，数万个连接点密集分布。这要求测试探针必须具备极高的定位精度和稳定性，任何微小的偏差都可能导致接触不良或损伤昂贵的芯片。
严苛的电气性能要求：PCIe 5.0/6.0、CXL等高速总线对阻抗匹配和信号衰减极为敏感。测试治具本身不能成为信号瓶颈，必须被视为整个高速通道的一部分进行协同设计。
巨大的功耗与散热挑战：AI芯片在满载运行时功耗可达数百瓦，瞬态电流变化剧烈。FCT（功能测试）治具必须能够提供稳定、纯净的大电流，并有效管理测试过程中产生的热量，防止DUT因过热而降频或损坏。
制造与组装的紧密耦合：从IC基板制造到最终的SMT Assembly，每一个环节的微小公差累积都会影响最终的可测试性。因此，在设计阶段就必须进行可测试性设计（DFT），并确保测试策略与制造能力相匹配。

在这样的背景下，First Article Inspection (FAI) 成为验证设计与制造流程是否匹配的首个关键节点。通过对首件产品的全面检测，FAI可以及早发现系统性问题，避免大规模生产的风险。而支撑FAI有效执行的，正是精心设计的测试方案与治具。

ICT与FCT治具设计的核心差异与协同作用

在探讨复杂的 Fixture design (ICT/FCT) 时，首先必须明确两种核心测试策略的定位与区别：

在线测试（In-Circuit Test, ICT）：主要目标是验证元器件级别的正确性。它通过接触PCB上的测试点，检查每个元器件的数值（如电阻、电容）、引脚是否焊接正确（开路/短路）、以及基本的功能（如二极管极性）。ICT治具通常被称为“针床”，其设计重点在于实现对所有关键网络节点的物理访问。
功能测试（Functional Test, FCT）：目标是模拟产品的最终使用环境，验证整个PCBA作为一个系统能否按预期功能运行。FCT治具需要为DUT提供电源、输入信号、时钟，并捕捉其输出信号进行分析。它关注的是系统级的行为，而非单个元器件。

对于AI载板而言，ICT和FCT的协同至关重要。ICT可以快速筛除焊接、元器件错误等制造缺陷，而FCT则确保芯片在高速、高负载下的复杂功能得以实现。一个优秀的 Fixture design (ICT/FCT) 策略会利用 Boundary-Scan/JTAG 技术来弥补物理探针无法触及高密度BGA引脚的不足，从而在降低治具复杂性的同时，提升测试覆盖率。

ICT与FCT治具设计考量对比

考量维度	ICT治具设计焦点	FCT治具设计焦点
探针目标	最大化测试点覆盖率，接触所有网络节点	关注I/O接口、电源输入、关键信号及JTAG端口
信号完整性	主要关注直流和低频信号的连通性	至关重要。需使用同轴探针、短路径布线，控制阻抗
电源供给	仅需为部分元器件提供低电流以供测试	需提供稳定、大电流、低噪声的电源，模拟真实负载
机械复杂度	高，探针数量多（成千上万），对位精度要求高	中等，探针数量较少，但可能包含复杂的连接器、散热器
集成技术	常与 Boundary-Scan/JTAG 结合，减少物理探针	需集成高速仪器、电源、负载、数据采集系统

高速信号完整性对测试治具设计的挑战

当信号速率进入GHz级别，测试治具的每一个物理结构--从探针到连接线--都成为潜在的信号杀手。探针及其引线会形成一个“桩（stub）”，引入阻抗不连续性，导致信号反射和衰减，严重时会使高速眼图完全闭合。

为应对这一挑战，先进的 Fixture design (ICT/FCT) 必须遵循以下原则：

使用高频探针：选择专为高带宽应用设计的同轴探针或RF探针，其内部结构能够维持50欧姆或100欧姆的特征阻抗。
最小化引线长度：从探针尖端到测试仪器的物理路径必须尽可能短。在治具内部布线时，应采用微带线或带状线结构，并进行精确的阻抗控制。
优化接地回路：为每个高速信号提供一个紧邻的、低电感的接地返回路径。在探针布局时，应采用G-S-S-G（地-信-信-地）等模式，以减少串扰。
去嵌入（De-embedding）技术：对于最严苛的应用，可以通过网络分析仪测量测试治具本身的S参数，然后在最终测试结果中通过算法“移除”治具对信号的影响，从而得到DUT的真实性能。

Highleap PCB Factory (HILPCB) 在制造高速PCB方面拥有丰富经验，我们深刻理解从材料选择到叠层设计对信号完整性的影响，并将这种理解延伸到为客户提供可测试性设计建议中，确保测试环节不会成为产品性能的瓶颈。

如何在治具设计中应对AI芯片的电源完整性需求？

作为一名电源完整性（PI）工程师，我认为这是 Fixture design (ICT/FCT) 中最容易被忽视却又最致命的环节。AI芯片对电源网络（PDN）的要求极为苛刻：低至毫欧级别的阻抗、高达数百安培的峰值电流、以及纳秒级的瞬态响应。

一个不合格的FCT治具PDN会带来两大问题：

电压跌落（IR Drop）过大：治具内部的电源路径（从电源接口到探针再到DUT）存在不可避免的电阻。如果该路径设计不当，巨大的工作电流会导致显著的电压下降，使DUT无法在额定电压下工作，从而导致FCT误判。
引入噪声与振荡：过长的电源引线会引入额外的电感，这会抬高PDN在高中频段的阻抗，恶化瞬态响应，甚至可能与DUT上的去耦电容发生谐振，导致系统不稳定。

为确保测试的有效性，电源部分的治具设计必须：

采用多点、大面积的电源/地探针：使用多个并联的、高载流能力的探针来接触DUT的电源和地平面，以最小化接触电阻和电感。
实现开尔文传感（Kelvin Sensing）：使用独立的“感知（Sense）”探针直接在DUT的电源引脚附近测量电压，并将此反馈给测试电源。这使得电源可以补偿治具路径上的电压降，确保DUT获得精确的电压。
在治具上集成去耦电容：在靠近DUT的探针位置，治具上应放置大容量的体电容和低ESL的陶瓷电容，作为本地的电荷储能库，满足芯片的瞬态电流需求。

高性能测试治具设计实施流程

1CAD/Gerber分析

2测试点与策略定义

3探针与硬件选型

4机械结构与热设计

5电气路径SI/PI仿真

6治具制造与组装

7验证、校准与部署

机械精度与探针技术在AI载板测试中的关键作用

电气性能的保证建立在可靠的物理接触之上。对于AI载板，尤其是采用先进封装的IC基板，机械精度是 Fixture design (ICT/FCT) 的基石。

关键挑战包括：

对位精度：治具的定位销必须与PCB上的定位孔精确匹配，确保数千个探针能准确地落在微小的测试焊盘（通常直径小于200微米）中心。
板弯板翘（Warpage）控制：AI载板由于叠层复杂、铜厚不均，在回流焊后容易产生形变。测试治具需要设计有效的压板或真空吸附机制，将PCB压平，确保所有探针都能均匀接触。
探针选择：针对不同的测试点表面（如OSP、ENIG、裸铜），需要选择不同头型（如矛头、冠头、星形头）和弹力的探针，以在保证良好导电性的同时，避免损伤焊盘。整个 SMT assembly 流程的质量控制，直接决定了测试点的可靠性。

HILPCB的制造能力确保了PCB本身具有优异的平整度和尺寸精度，这为后续高精度的测试治具对接提供了坚实的基础。

整合Boundary-Scan/JTAG技术优化测试覆盖率

随着BGA封装的引脚隐藏在芯片下方，传统的物理探针测试方法遇到了瓶颈。Boundary-Scan/JTAG (IEEE 1149.1标准) 技术为此提供了优雅的解决方案。它通过芯片内置的测试访问端口（TAP），以串行方式访问芯片的每个功能引脚，从而实现：

互连测试：检查芯片引脚之间以及芯片与连接器之间的开路和短路，无需物理探针。
在系统编程（ISP）：对Flash、FPGA等器件进行编程和配置。
辅助功能测试：在FCT期间，通过JTAG端口控制芯片进入特定测试模式或读取内部状态。

在 Fixture design (ICT/FCT) 中集成 Boundary-Scan/JTAG，可以大幅减少对物理探针的需求，尤其是在高密度区域。这不仅降低了治具的制造成本和复杂性，还避免了物理探针可能带来的信号完整性问题。一个现代化的测试策略，必然是ICT、FCT和 Boundary-Scan/JTAG 的有机结合。

HILPCB一站式服务价值

DFM for Testability

在设计早期介入，优化测试点布局，确保可制造性与可测试性。

先进PCB制造

提供高层数、HDI、IC基板等复杂PCB的可靠制造服务。

精密SMT组装

拥有先进的贴片和焊接能力，确保元器件的高质量组装。

集成测试方案

提供从ICT、FCT到老化测试的全面解决方案，确保产品质量。

完整追溯系统

通过 Traceability/MES 系统，实现从物料到成品的全面质量追溯。

追溯系统(Traceability/MES)与测试数据的整合

在规模化生产中，质量控制不仅仅是“通过/失败”的二元判断，更重要的是数据的收集与分析。Traceability/MES (制造执行系统) 是实现这一目标的核心。每一个通过测试的PCBA，其唯一的序列号都必须与详细的测试数据相关联，包括ICT的电阻电容测量值、FCT的电压电流功耗、以及任何故障代码。

一个智能的 Fixture design (ICT/FCT) 应该包含自动化的条码或二维码扫描功能，并在测试开始时自动读取PCBA的序列号。测试结束后，所有数据被自动上传至 Traceability/MES 数据库。这种整合带来了巨大价值：

快速根因分析：当发现批量性问题时，可以迅速回溯数据，找到与故障相关的特定批次物料、设备或工艺参数。
过程能力监控：通过统计分析测试数据（如某个电压的波动范围），可以监控 SMT assembly 等制造过程的稳定性，实现预测性维护。
质量合规与客户报告：为客户提供完整的生产与测试数据报告，满足高端行业（如汽车、医疗）的严格追溯要求。

考虑Conformal Coating对测试治具设计的影响

为了提高产品在恶劣环境下的可靠性，许多AI硬件会在PCBA表面喷涂一层 Conformal coating（三防漆）。这层保护膜虽然能防潮、防尘、防腐蚀，但也给测试带来了麻烦，因为它会覆盖测试点，导致探针无法形成良好的电接触。

处理这一问题的策略必须在设计阶段就予以考虑，主要有三种方法：

测试后涂覆：这是最直接的方法，但流程上可能增加PCBA的周转次数。
选择性遮蔽：在喷涂 Conformal coating 之前，用可剥离的胶带或胶点遮蔽所有测试点。这对自动化产线提出了更高的精度要求。
使用穿刺探针：设计 Fixture design (ICT/FCT) 时采用带有锋利尖端（如矛头或星形头）的探针，它们被设计用来穿透薄层 Conformal coating，直接接触下方的焊盘。这种方法需要精确控制探针的压力和涂层的厚度，以确保可靠接触且不损伤焊盘。

选择哪种策略，取决于成本、产量、可靠性要求以及涂层类型的综合考量。

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结论

在AI硬件领域，竞争的本质是性能、可靠性与上市时间的赛跑。一个看似处于生产后端的 Fixture design (ICT/FCT) 环节，实际上深刻地影响着这三个核心要素。从应对高速信号和瞬态电源的电气挑战，到满足微米级机械精度的要求，再到与 Boundary-Scan/JTAG、Traceability/MES 等先进制造体系的无缝集成，测试治具设计已然成为一门融合了多学科知识的精密工程。

忽略测试治具的复杂性，就如同建造一艘没有经过试航的巨轮，其潜在风险是无法估量的。成功的AI产品开发，离不开从设计之初就将可测试性融入其中，并选择能够深刻理解从HDI PCB制造到Turnkey Assembly全流程的合作伙伴。作为行业领先的PCB解决方案提供商，HILPCB凭借其深厚的技术积累和一站式服务能力，致力于帮助客户攻克从设计到量产的每一个挑战，确保您的创新构想能够以最高的质量标准，可靠地交付到市场。