Im Zuge der Welle der künstlichen Intelligenz (KI) und des Hochleistungsrechnens (HPC) ist die Designkomplexität von KI-Chip-Substraten und PCBs exponentiell gewachsen. Hochdichte Verbindungen, Zehntausende von BGA-Pins und transiente Stromanforderungen von Hunderten von Ampere stellen beispiellose Herausforderungen an die Produktqualität und -zuverlässigkeit dar. In diesem anspruchsvollen Kontext ist ein außergewöhnliches Fixture-Design (ICT/FCT) nicht mehr nur ein letzter Schritt im Produktionsprozess, sondern eine tragende Säule über den gesamten Lebenszyklus von Design, Fertigung und Validierung hinweg, das direkt darüber entscheidet, ob KI-Hardware eine erfolgreiche Massenproduktion und einen stabilen Betrieb erreichen kann.

Als Power-Integrity-Ingenieure verstehen wir, dass jeder Millivolt Spannungsabfall oder jede Zeitabweichung im Pikosekundenbereich zu katastrophalen Systemausfällen führen kann. Daher ist die Bedeutung einer Testvorrichtung, die in der Lage ist, reale Betriebsbedingungen genau zu simulieren, ohne die Leistung des Prüflings (DUT) zu beeinträchtigen, offensichtlich. Dieser Artikel befasst sich mit dem Fixture-Design (ICT/FCT) im Kontext von KI-Chip-Substraten und analysiert dessen zentrale Herausforderungen und Lösungen in Bezug auf Signalintegrität, Stromverteilung, mechanische Präzision und Integration mit fortschrittlichen Fertigungsprozessen.

Warum ist das Testen von KI-Substraten so komplex und kritisch?

Traditionelle Leiterplatten-Testmethoden reichen nicht aus, wenn sie auf moderne KI-Substrate angewendet werden. Diese Substrate integrieren typischerweise 2.5D/3D-verpackte KI-Beschleuniger, High-Bandwidth Memory (HBM) und zahlreiche Hochgeschwindigkeits-I/O-Schnittstellen. Ihre Komplexität zeigt sich in den folgenden Aspekten:

• Ultrahohe Dichte und feiner Rasterabstand: Der BGA-Lötballabstand von KI-Chips ist auf 0,4 mm oder sogar kleiner geschrumpft, mit Zehntausenden von dicht verteilten Verbindungspunkten. Dies erfordert Prüfsonden mit extrem hoher Positionierungsgenauigkeit und Stabilität, da selbst die geringste Abweichung zu schlechtem Kontakt oder einer Beschädigung teurer Chips führen kann.
• Strenge elektrische Leistungsanforderungen: Hochgeschwindigkeitsbusse wie PCIe 5.0/6.0 und CXL sind sehr empfindlich gegenüber Impedanzanpassung und Signaldämpfung. Die Prüfvorrichtung selbst darf kein Engpass für Signale werden und muss als Teil des gesamten Hochgeschwindigkeitskanals mitentwickelt werden.
• Massiver Stromverbrauch und thermische Herausforderungen: KI-Chips können unter Volllast Hunderte von Watt verbrauchen, mit schnellen transienten Stromschwankungen. Die FCT (Funktionstest)-Vorrichtung muss eine stabile, saubere Hochstromversorgung bereitstellen und die während des Tests entstehende Wärme effektiv verwalten, um zu verhindern, dass das Prüfobjekt (DUT) aufgrund von Überhitzung gedrosselt wird oder ausfällt.
• Enge Kopplung von Fertigung und Montage: Von der IC-Substratfertigung bis zur endgültigen SMT-Bestückung akkumulieren sich geringe Toleranzen in jeder Phase und beeinträchtigen die Testbarkeit. Daher muss das Design für Testbarkeit (DFT) während der Entwurfsphase implementiert werden, und Teststrategien müssen mit den Fertigungsmöglichkeiten übereinstimmen.

In diesem Zusammenhang wird die Erstmusterprüfung (FAI) zum ersten kritischen Kontrollpunkt, um zu überprüfen, ob die Design- und Fertigungsprozesse aufeinander abgestimmt sind. Durch eine umfassende Prüfung des Erstmusters kann die FAI systemische Probleme frühzeitig erkennen und Risiken in der Massenproduktion vermeiden. Die Grundlage für eine effektive FAI-Durchführung liegt in sorgfältig entworfenen Testplänen und Vorrichtungen.

Kernunterschiede und Synergien zwischen ICT- und FCT-Vorrichtungsdesign

Bei der Erörterung der Komplexität des Vorrichtungsdesigns (ICT/FCT) ist es unerlässlich, zunächst die Rollen und Unterschiede zwischen den beiden Kernprüfstrategien zu klären:

• In-Circuit-Test (ICT): Das Hauptziel ist die Überprüfung der Korrektheit auf Komponentenebene. Er greift auf Testpunkte auf der Leiterplatte zu, um die Parameter jeder Komponente (z. B. Widerstand, Kapazität), die Lötgenauigkeit der Pins (Unterbrechungen/Kurzschlüsse) und die grundlegende Funktionalität (z. B. Diodenpolarität) zu überprüfen. ICT-Vorrichtungen werden oft als „Nadelbett“ bezeichnet, wobei der Designschwerpunkt auf dem physischen Zugang zu allen kritischen Netzwerkknoten liegt.
• Funktionstest (FCT): Ziel ist es, die Endanwendungsumgebung zu simulieren und zu überprüfen, ob die gesamte PCBA als System wie vorgesehen funktioniert. FCT-Prüfadapter müssen dem Prüfling (DUT) Strom, Eingangssignale und Takte zuführen und gleichzeitig dessen Ausgangssignale erfassen und analysieren. Er konzentriert sich auf das Systemverhalten und nicht auf einzelne Komponenten. Für KI-Trägerplatinen ist die Synergie zwischen ICT und FCT entscheidend. ICT kann Fertigungsfehler wie Löt- und Komponentenfehler schnell aussortieren, während FCT die komplexe Funktionalität von Chips unter Hochgeschwindigkeits- und Hochlastbedingungen sicherstellt. Eine exzellente Prüfadapter-Designstrategie (ICT/FCT) nutzt die Boundary-Scan/JTAG-Technologie, um die Unfähigkeit physischer Sonden auszugleichen, auf hochdichte BGA-Pins zuzugreifen, wodurch die Komplexität des Prüfadapters reduziert und gleichzeitig die Testabdeckung verbessert wird.

Herausforderungen der Hochgeschwindigkeits-Signalintegrität im Testadapterdesign

Wenn Signalraten GHz-Niveaus erreichen, wird jede physikalische Struktur im Testadapter - von Sonden bis zu Verbindungsdrähten - zu einem potenziellen Signalschädiger. Sonden und ihre Leitungen bilden einen "Stummel", der Impedanzdiskontinuitäten einführt, die Signalreflexion und -dämpfung verursachen, was in extremen Fällen das Hochgeschwindigkeits-Augendiagramm stark schließen kann.

Um diese Herausforderung zu bewältigen, muss das fortschrittliche Adapterdesign (ICT/FCT) die folgenden Prinzipien einhalten:

1. Hochfrequenzsonden verwenden: Koaxial- oder HF-Sonden auswählen, die speziell für Anwendungen mit hoher Bandbreite entwickelt wurden, mit internen Strukturen, die eine charakteristische Impedanz von 50 Ohm oder 100 Ohm aufrechterhalten.
2. Leitungslänge minimieren: Der physikalische Pfad von der Sondenspitze zum Testinstrument muss so kurz wie möglich sein. Für die interne Verdrahtung sollten Mikrostreifen- oder Streifenleiterstrukturen mit präziser Impedanzkontrolle verwendet werden.
3. Erdungsschleifen optimieren: Stellen Sie für jedes Hochgeschwindigkeitssignal einen eng anliegenden, induktionsarmen Erdungsrückweg bereit. Sondendesigns sollten Muster wie G-S-S-G (Masse-Signal-Signal-Masse) verwenden, um Übersprechen zu reduzieren.
4. De-Embedding-Technologie: Für die anspruchsvollsten Anwendungen können die S-Parameter der Testvorrichtung selbst mit einem Netzwerkanalysator gemessen werden. Der Einfluss der Vorrichtung auf das Signal kann dann algorithmisch aus den endgültigen Testergebnissen "entfernt" werden, um die wahre Leistung des Prüflings (DUT) aufzuzeigen.

Highleap PCB Factory (HILPCB) verfügt über umfassende Erfahrung in der Herstellung von Hochgeschwindigkeits-Leiterplatten. Wir verstehen den Einfluss der Materialauswahl und des Lagenaufbaus auf die Signalintegrität zutiefst und erweitern dieses Fachwissen, um Empfehlungen für die Testbarkeit zu geben, um sicherzustellen, dass Tests nicht zu einem Engpass für die Produktleistung werden.

Wie man die Anforderungen an die Stromversorgungsintegrität von KI-Chips im Fixture-Design berücksichtigt?

Als Power Integrity (PI)-Ingenieur betrachte ich dies als den am meisten übersehenen, aber kritischsten Aspekt des Fixture-Designs (ICT/FCT). KI-Chips stellen extrem strenge Anforderungen an das Power Delivery Network (PDN): Impedanz so niedrig wie Milliohm, Spitzenströme von Hunderten von Ampere und Transientenreaktionen im Nanosekundenbereich.

Ein unqualifiziertes FCT-Fixture-PDN kann zu zwei Hauptproblemen führen:

• Excessive IR Drop: Der Strompfad innerhalb der Prüfvorrichtung (von der Stromschnittstelle zur Sonde und dann zum Prüfling) weist zwangsläufig einen Widerstand auf. Wenn dieser Pfad schlecht ausgelegt ist, können hohe Betriebsströme erhebliche Spannungsabfälle verursachen, die den Prüfling daran hindern, mit seiner Nennspannung zu arbeiten, und zu Fehlurteilen bei FCT führen.
• Introducing Noise and Oscillation: Übermäßig lange Stromleiterbahnen führen zu zusätzlicher Induktivität, was die PDN-Impedanz im mittleren bis hohen Frequenzbereich erhöht, das Einschwingverhalten verschlechtert und sogar mit den Entkopplungskondensatoren am Prüfling in Resonanz treten kann, was zu Systeminstabilität führt.

Um die Gültigkeit der Prüfung zu gewährleisten, muss der Stromversorgungsabschnitt des Prüfvorrichtungsdesigns:

• Adopt Multi-point, Large-area Power/Ground Probes: Mehrere parallele Sonden mit hoher Strombelastbarkeit verwenden, um die Strom- und Masseebenen des Prüflings zu kontaktieren und so den Kontaktwiderstand und die Induktivität zu minimieren.
• Implement Kelvin Sensing: Unabhängige „Sense“-Sonden verwenden, um die Spannung direkt in der Nähe der Stromanschlüsse des Prüflings zu messen und diese an die Teststromversorgung zurückzuführen. Dies ermöglicht es der Stromversorgung, Spannungsabfälle entlang des Prüfvorrichtungspfades zu kompensieren und sicherzustellen, dass der Prüfling eine präzise Spannung erhält.
• Integrate Decoupling Capacitors on the Fixture: Bulk-Kondensatoren mit hoher Kapazität und Keramikkondensatoren mit niedrigem ESL in der Nähe der Prüflingssondenpositionen an der Prüfvorrichtung platzieren, um als lokale Ladungsreservoirs zu dienen und den transienten Strombedarf des Chips zu decken.

Die entscheidende Rolle mechanischer Präzision und Sondentechnologie beim Testen von KI-Substraten

Die Gewährleistung der elektrischen Leistung hängt von einem zuverlässigen physischen Kontakt ab. Für KI-Substrate, insbesondere solche, die fortschrittliche Verpackungen wie IC-Substrate verwenden, ist mechanische Präzision der Eckpfeiler des Vorrichtungsdesigns (ICT/FCT).

Zu den wichtigsten Herausforderungen gehören:

• Ausrichtungsgenauigkeit: Die Zentrierstifte der Vorrichtung müssen exakt mit den Positionierungslöchern auf der Leiterplatte übereinstimmen, um sicherzustellen, dass Tausende von Prüfspitzen präzise auf der Mitte winziger Testpads (typischerweise weniger als 200 Mikrometer Durchmesser) landen.
• Verzugskontrolle: Aufgrund komplexer Schichtungen und ungleichmäßiger Kupferdicke neigen KI-Substrate nach dem Reflow-Löten zur Verformung. Prüfvorrichtungen müssen effektive Klemm- oder Vakuumadsorptionsmechanismen integrieren, um die Leiterplatte zu glätten und einen gleichmäßigen Kontakt für alle Prüfspitzen zu gewährleisten.
• Sondenauswahl: Für verschiedene Prüfpunkt-Oberflächen (wie OSP, ENIG oder blankes Kupfer) sind unterschiedliche Sondenspitzentypen (z.B. Speer-, Kronen- oder Sternform) und Federkräfte erforderlich, um eine gute Leitfähigkeit zu gewährleisten und gleichzeitig Pad-Beschädigungen zu vermeiden. Die Qualitätskontrolle des gesamten SMT-Montageprozesses bestimmt direkt die Zuverlässigkeit der Prüfpunkte.

Die Fertigungskapazitäten von HILPCB stellen sicher, dass die Leiterplatte selbst eine ausgezeichnete Ebenheit und Maßhaltigkeit aufweist und somit eine solide Grundlage für die Integration hochpräziser Prüfvorrichtungen bietet.

Integration von Boundary-Scan/JTAG-Technologie zur Optimierung der Testabdeckung

Da die Pins von BGA-Gehäusen unter dem Chip verborgen sind, stoßen herkömmliche physikalische Sondentestmethoden an ihre Grenzen. Die Boundary-Scan/JTAG-Technologie (IEEE 1149.1-Standard) bietet eine elegante Lösung. Über den integrierten Test Access Port (TAP) des Chips greift sie seriell auf jeden funktionalen Pin zu und ermöglicht so:

• Verbindungstest (Interconnect Testing): Überprüft auf Unterbrechungen und Kurzschlüsse zwischen Chip-Pins und Steckverbindern ohne physikalische Sonden.
• In-System Programming (ISP): Programmiert und konfiguriert Geräte wie Flash und FPGA.
• Zusätzlicher Funktionstest (Auxiliary Functional Testing): Während des FCT steuert den Chip, um spezifische Testmodi zu aktivieren oder interne Zustände über den JTAG-Port auszulesen.

Die Integration von Boundary-Scan/JTAG in das Fixture-Design (ICT/FCT) reduziert den Bedarf an physikalischen Sonden erheblich, insbesondere in Bereichen hoher Dichte. Dies senkt nicht nur die Herstellungskosten und die Komplexität der Prüfvorrichtung, sondern vermeidet auch Signalintegritätsprobleme, die durch physikalische Sonden verursacht werden. Eine moderne Teststrategie muss ICT, FCT und Boundary-Scan/JTAG organisch miteinander verbinden.

Integration von Rückverfolgbarkeit/MES mit Testdaten

In der Massenproduktion geht es bei der Qualitätskontrolle nicht nur um binäre "Bestanden/Nicht bestanden"-Urteile, sondern vor allem um Datenerfassung und -analyse. Rückverfolgbarkeit/MES (Manufacturing Execution System) ist der Kern zur Erreichung dieses Ziels. Jede PCBA, die die Prüfung besteht, muss ihre eindeutige Seriennummer mit detaillierten Testdaten verknüpft haben, einschließlich ICT-Widerstands- und Kapazitätsmessungen, FCT-Spannungs- und Stromverbrauch sowie etwaiger Fehlercodes.

Ein intelligentes Prüfadapterdesign (ICT/FCT) sollte eine automatisierte Barcode- oder QR-Code-Scanfunktion umfassen, die die Seriennummer der PCBA zu Beginn der Prüfung automatisch liest. Nach der Prüfung werden alle Daten automatisch in die Rückverfolgbarkeits-/MES-Datenbank hochgeladen. Diese Integration bietet einen erheblichen Mehrwert:

• Schnelle Ursachenanalyse: Wenn Chargenprobleme erkannt werden, können Daten schnell zurückverfolgt werden, um spezifische Materialchargen, Geräte oder Prozessparameter zu identifizieren, die mit dem Fehler zusammenhängen.
• Überwachung der Prozessfähigkeit: Durch die statistische Analyse von Testdaten (wie Schwankungen einer bestimmten Spannung) kann die Stabilität von Fertigungsprozessen wie der SMT-Bestückung überwacht werden, was eine vorausschauende Wartung ermöglicht.
• Qualitätskonformität und Kundenberichterstattung: Bereitstellung vollständiger Produktions- und Testdatenberichte für Kunden, um strenge Rückverfolgbarkeitsanforderungen in High-End-Industrien (z. B. Automobil, Medizin) zu erfüllen.

Auswirkungen von Schutzlack auf das Prüfadapterdesign

Um die Produktzuverlässigkeit in rauen Umgebungen zu verbessern, tragen viele KI-Hardwareprodukte eine Schicht Schutzlack (Schutzbeschichtung) auf die PCBA-Oberfläche auf. Obwohl dieser Schutzfilm Feuchtigkeit, Staub und Korrosion verhindern kann, erschwert er auch das Testen, indem er Testpunkte abdeckt und Sonden daran hindert, einen guten elektrischen Kontakt herzustellen.

Strategien zur Bewältigung dieses Problems müssen bereits in der Entwurfsphase berücksichtigt werden, wobei drei Hauptansätze verfolgt werden können:

1. Beschichtung nach dem Test: Dies ist die einfachste Methode, kann aber die Handhabungsschritte der PCBA im Prozess erhöhen.
2. Selektives Maskieren: Vor dem Auftragen des Schutzlacks alle Testpunkte mit abziehbaren Klebebändern oder Klebepunkten maskieren. Dies stellt höhere Präzisionsanforderungen an automatisierte Produktionslinien.
3. Verwendung von Durchstichsonden: Bei der Entwicklung des Fixture-Designs (ICT/FCT) Sonden mit scharfen Spitzen (wie Speer- oder Sternköpfe) verwenden, die darauf ausgelegt sind, dünne Schichten des Schutzlacks zu durchdringen und direkten Kontakt mit den darunter liegenden Pads herzustellen. Diese Methode erfordert eine präzise Kontrolle des Sondendrucks und der Beschichtungsdicke, um einen zuverlässigen Kontakt ohne Beschädigung der Pads zu gewährleisten.

Die Wahl der Strategie hängt von einer umfassenden Berücksichtigung von Kosten, Produktionsvolumen, Zuverlässigkeitsanforderungen und Beschichtungsart ab.

PCB-Angebot einholen

Fazit

Im Bereich der KI-Hardware ist der Wettbewerb im Wesentlichen ein Wettlauf um Leistung, Zuverlässigkeit und Markteinführungszeit. Ein scheinbar nachgelagerter Produktionsschritt wie das Vorrichtungsdesign (ICT/FCT) beeinflusst diese drei Kernelemente maßgeblich. Von der Bewältigung elektrischer Herausforderungen wie Hochgeschwindigkeitssignalen und transienter Leistung über die Erfüllung mechanischer Präzisionsanforderungen im Mikrometerbereich bis hin zur nahtlosen Integration mit fortschrittlichen Fertigungssystemen wie Boundary-Scan/JTAG und Traceability/MES ist das Design von Testvorrichtungen zu einer Präzisionsingenieurdisziplin geworden, die multidisziplinäres Fachwissen vereint. Die Komplexität von Testvorrichtungen zu übersehen, ist vergleichbar mit dem Bau eines riesigen Schiffes ohne Probefahrten - die potenziellen Risiken sind unermesslich. Eine erfolgreiche Entwicklung von KI-Produkten erfordert die Einbettung der Testbarkeit bereits in der Designphase und die Auswahl von Partnern mit umfassendem Fachwissen über den gesamten Prozess hinweg, von der HDI-Leiterplattenfertigung bis zur schlüsselfertigen Montage. Als führender Anbieter von Leiterplattenlösungen nutzt HILPCB sein umfassendes technisches Fachwissen und seine One-Stop-Service-Fähigkeiten, um Kunden dabei zu helfen, jede Herausforderung vom Design bis zur Massenproduktion zu meistern, und stellt sicher, dass Ihre innovativen Ideen mit höchsten Qualitätsstandards und Zuverlässigkeit auf den Markt gebracht werden.

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