Fixture design (ICT/FCT)：驾驭供电与冷却系统PCB的高功率密度与热管理挑战

在现代供电与冷却系统中，PCB的功率密度正以前所未有的速度攀升。从数据中心的服务器电源到新能源汽车的电控单元，高功率器件在带来卓越性能的同时，也产生了巨大的热量。这不仅对产品的最终散热方案提出了严苛要求，更对生产测试环节中的 Fixture design (ICT/FCT) 构成了前所未有的挑战。一个设计不当的测试夹具，可能因热量积聚导致测试结果失准，甚至在测试过程中就损坏昂贵的元器件。因此，将先进的热管理策略融入 Fixture design (ICT/FCT) 已成为确保产品质量与可靠性的核心环节。

作为冷却系统工程师，我们深知热量是电子产品可靠性的头号杀手。在产品的整个 NPI EVT/DVT/PVT（新产品导入的工程/设计/生产验证测试）阶段，功能测试（FCT）和在线测试（ICT）是验证设计与制造质量的关键关卡。然而，当被测设备（DUT）全功率运行时，其产生的热量若不能被有效带走，器件结温（Junction Temperature）将迅速超过安全阈值，导致性能下降或永久性损伤。因此，现代测试夹具必须超越传统的电气连接功能，进化为集电气测试与高效热管理于一体的精密系统。

为什么传统测试夹具在热管理上面临瓶颈？

传统的ICT/FCT夹具，如针床（Bed-of-Nails），其主要目标是建立可靠的电气连接以进行信号测量。它们通常由绝缘材料制成，几乎不具备任何散热能力。当测试高功率密度的PCB，例如采用重铜PCB的电源板时，会发生以下问题：

局部热点（Hot Spot）失控：功率MOSFET、FPGA或处理器等器件在满负荷测试时会产生集中热量。由于缺乏有效的散热路径，这些热点温度会急剧升高。
测试结果不一致：半导体器件的电气特性（如导通电阻、开关频率）与温度密切相关。过高的温度会导致测试读数偏离正常范围，从而引发误判，增加调试难度。
潜在的元器件损伤：在漫长的老化测试或功能验证中，持续的热应力会加速元器件老化，甚至直接烧毁，尤其是在早期的 NPI EVT/DVT/PVT 阶段，此时的产品热设计可能尚未完全成熟。
无法模拟真实工作环境：最终产品通常配备有散热器、风扇或液冷系统。如果测试夹具不能提供类似的散热条件，那么测试结果就无法真实反映产品在实际应用中的性能和可靠性。

功率器件结-壳-板热路径设计与测试夹具的集成

要解决测试中的散热问题，必须从热量产生的源头——芯片结温（Tj）开始考虑。热量从芯片（Junction）传导至封装外壳（Case），再到PCB板（Board）的整个路径，其热阻（Thermal Resistance）决定了散热效率。一个优秀的 Fixture design (ICT/FCT) 必须为这条热路径提供一个低热阻的延伸。

设计上，我们会通过在PCB上部署大量的导热过孔（Thermal Via）阵列、增加接地铜皮面积等方式，将热量从器件底部高效地传导至PCB背面。此时，测试夹具的设计就至关重要：它需要通过定制的导热块（通常是铜或铝）与PCB背面的这些散热区域精确接触，从而将热量导出。在量产前，通过 First Article Inspection (FAI) 确保PCB的导热孔和散热铜面完全符合设计规范，是保证夹具散热性能的第一步。

实施流程：集成热管理的夹具设计步骤

热点分析：通过热仿真或前期测试，识别DUT上的主要热源及其功率。
散热方案选型：根据总热量和热流密度，选择合适的散热组件（散热器、热管、VC或冷板）。
机械结构设计：设计夹具结构，确保导热模块与DUT精确对位和接触，同时不影响测试探针。
TIM选型与应用：选择合适的热接口材料（TIM），并设计压力加载机制以保证最小热阻。
系统集成与验证：将散热系统与电气测试系统集成，并通过红外热像仪等工具进行性能验证。

夹具热参数窗口（示例）

要素	典型范围	要点
热流密度	5–25 W/cm²	决定 VC/冷板选型与流量
接触压力	0.1–0.5 MPa	确保 TIM 厚度与低热阻
TIM 厚度	0.1–0.5 mm	重复装夹厚度一致性
风量/流量	风 10–30 CFM；液 1–5 L/min	保证最坏点结温安全

注：为示例窗口，非承诺值；以 FAI 样件与 SOP/MES 固化为准。

测试覆盖矩阵（EVT/DVT/PVT）

阶段	FPT	ICT	FCT
EVT	高覆盖	可选	基本功能
DVT	中覆盖	提升覆盖	温升/老化联动
PVT/MP	抽检	高覆盖 ICT	100% FCT

注：矩阵为示例；最终覆盖以客户标准与 NPI 固化为准。

数据与 SPC（示例字段）

类别	关键字段	说明
夹具热参数	接触压力、TIM 厚度、风量/流量	与批次绑定；SPC 趋势监控
电气测试	ICT 通过率、FCT 功能/功耗	超限自动隔离与复检

注：字段为示例；最终以客户规范与 FAI 固化为准。

均热板/热管/冷板：为ICT/FCT夹具选择合适的散热组件

根据被测PCB的功率和热流密度，我们可以为测试夹具集成不同等级的散热技术：

被动散热器（Passive Heat Sink）：对于中低功率（通常<50W）的场景，一个带有鳍片的铝制或铜制散热块直接压在DUT的热点区域，通过自然对流或强制风冷即可满足需求。
热管（Heat Pipe）：当热源面积小而功率集中时，热管是理想选择。它可以高效地将热量从接触点“传送”到远离DUT的、更大的散热鳍片上，避免了在狭小的夹具空间内堆积过多散热结构。
均热板（Vapor Chamber, VC）：对于大面积的热源（如大型BGA芯片）或多个分散的热源，VC能以极低的热阻将热量迅速均匀扩散到一个平面上，再由散热鳍片带走。这在复杂的 SMT assembly 板卡上尤为有效。
液冷冷板（Liquid-Cooled Cold Plate）：当功率超过数百瓦甚至上千瓦时，风冷已达极限。此时，必须在夹具中集成液冷冷板。通过内部流道循环的冷却液（如水或乙二醇混合液）能带走巨大的热量，为AI加速卡、大功率逆变器等产品的测试提供稳定可靠的低温环境。

热接口材料（TIM）在测试夹具中的关键作用

选择再强大的散热组件，如果它与DUT之间的接触面存在空气间隙，散热效果也会大打折扣。热接口材料（TIM）的作用就是填充这些微小的间隙，建立高效的热传导桥梁。

在测试夹具中，TIM的选择和应用比在最终产品中更具挑战性，因为它需要兼顾可重复使用性、稳定性和低热阻。导热垫片（Thermal Pad）因其易于安装和更换而常用，但其热阻相对较高。对于追求极致性能的测试，导热膏（Thermal Grease）或相变材料（Phase Change Material）是更好的选择，但需要设计精密的压力控制机构，以确保每次装夹DUT时TIM的厚度一致。值得注意的是，如果最终产品会使用 Conformal coating（三防漆），测试时需要评估其对热阻的影响，或者选择在涂覆前完成高功率测试。选择像HILPCB这样提供一站式SMT组装服务的供应商，可以在生产流程中灵活安排测试与涂覆工序。

制造与组装核心要点

高导热PCB基板：选择如[高导热PCB](/products/high-thermal-pcb)等材料，从源头改善散热。
精密公差控制：PCB 厚度与散热模块平整度决定 TIM 性能。
焊接热平衡：在 **SMT assembly** 过程中，大面积铜箔与导热孔需配合回流曲线优化。
测试点可及性：散热模块设计不得遮挡 ICT 或 **Boundary-Scan/JTAG** 关键测试点。

仿真与验证：确保夹具设计在实际测试中可靠

在投入制造之前，利用CFD（计算流体动力学）等仿真工具对集成了散热方案的夹具进行热分析是必不可少的步骤。通过仿真，我们可以预测DUT在测试过程中的温度分布，优化散热器鳍片设计、风道或冷板流路，确保在最坏工况下结温依然处于安全范围。

夹具制作完成后，必须进行严格的物理验证。使用红外热像仪可以直观地捕捉到PCB表面的温度分布，验证是否存在意料之外的 Hot Spot。同时，结合 Boundary-Scan/JTAG 等电气测试，可以在施加不同热负载的情况下，监控芯片的性能表现，确保测试的全面性和准确性。这一系列验证活动是 NPI EVT/DVT/PVT 流程中不可或缺的一环，为顺利量产奠定坚实基础。

考虑可制造性与可维护性的夹具设计

最后，一个成功的 Fixture design (ICT/FCT) 方案还必须具备良好的可制造性和可维护性。操作员需要能够快速、准确地将DUT装入和取出夹具。散热模块的压紧和释放机制应简单可靠，避免损坏PCB或元器件。

此外，测试探针和TIM等耗材的更换也应方便快捷。在进行 First Article Inspection (FAI) 时，不仅要验证DUT，也应评估夹具本身的设计是否便于长期、高强度的生产使用。例如，如果产品表面有 Conformal coating，可能需要使用带有锋利顶针的探针，这就对探针的耐用性和更换频率提出了更高要求。

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结论

总而言之，随着供电与冷却系统PCB向更高功率密度发展，Fixture design (ICT/FCT) 已经从一个单纯的电气工程任务，演变为一个涉及热力学、流体力学和材料科学的复杂系统工程。将均热板、热管乃至液冷冷板等先进散热技术与测试夹具深度集成，并通过精密的仿真和验证，是确保高功率电子产品在测试环节中保持稳定、获得准确数据的唯一途径。选择像HILPCB这样既懂PCB制造又精通组装测试的合作伙伴，能够从设计初期就将热管理和可测试性纳入考量，为您的产品成功上市保驾护航。