Sous la vague de l'intelligence artificielle (IA) et du calcul haute performance (HPC), la complexité de conception des substrats de puces IA et des PCB a augmenté de manière exponentielle. Les interconnexions haute densité, les dizaines de milliers de broches BGA et les demandes de courant transitoire de centaines d'ampères posent des défis sans précédent à la qualité et à la fiabilité des produits. Dans ce contexte exigeant, une conception de fixture (ICT/FCT) exceptionnelle n'est plus seulement une étape finale du processus de production, mais un pilier essentiel tout au long du cycle de vie complet de la conception, de la fabrication et de la validation, déterminant directement si le matériel IA peut atteindre une production de masse réussie et un fonctionnement stable.

En tant qu'ingénieurs en intégrité de l'alimentation, nous comprenons que chaque millivolt de chute de tension ou chaque déviation de synchronisation au niveau de la picoseconde peut entraîner des défaillances catastrophiques du système. Par conséquent, l'importance d'un banc de test capable de simuler avec précision les conditions de fonctionnement réelles sans interférer avec les performances du dispositif sous test (DUT) est évidente. Cet article explore la conception de fixture (ICT/FCT) dans le contexte des substrats de puces IA, analysant ses défis et solutions clés en matière d'intégrité du signal, de distribution de l'alimentation, de précision mécanique et d'intégration avec les processus de fabrication avancés.

Pourquoi le test des substrats IA est-il si complexe et critique ?

Les méthodes traditionnelles de test de PCB sont insuffisantes lorsqu'elles sont appliquées aux substrats d'IA modernes. Ces substrats intègrent généralement des accélérateurs d'IA encapsulés en 2.5D/3D, de la mémoire à large bande passante (HBM) et de nombreuses interfaces E/S haute vitesse. Leur complexité se manifeste par les aspects suivants :

• Densité ultra-élevée et pas fin: Le pas des billes de soudure BGA des puces d'IA a diminué jusqu'à 0,4 mm ou même moins, avec des dizaines de milliers de points de connexion densément répartis. Cela exige des sondes de test avec une précision de positionnement et une stabilité extrêmement élevées, car même le moindre écart peut entraîner un mauvais contact ou des dommages aux puces coûteuses.
• Exigences strictes en matière de performances électriques: Les bus haute vitesse comme PCIe 5.0/6.0 et CXL sont très sensibles à l'adaptation d'impédance et à l'atténuation du signal. Le banc de test lui-même ne doit pas devenir un goulot d'étranglement pour les signaux et doit être co-conçu comme faisant partie de l'ensemble du canal haute vitesse.
• Consommation électrique massive et défis thermiques: Les puces d'IA peuvent consommer des centaines de watts à pleine charge, avec des fluctuations de courant transitoires rapides. Le banc de test FCT (Functional Test) doit fournir une alimentation stable, propre et à courant élevé, et gérer efficacement la chaleur générée pendant les tests pour éviter que le DUT (Device Under Test) ne se mette en veille ou ne tombe en panne en raison d'une surchauffe.
• Couplage étroit entre la fabrication et l'assemblage: De la fabrication de substrats IC à l'assemblage final SMT, des tolérances mineures à chaque étape s'accumulent et ont un impact sur la testabilité. Ainsi, la conception pour la testabilité (DFT) doit être mise en œuvre pendant la phase de conception, et les stratégies de test doivent s'aligner sur les capacités de fabrication.

Dans ce contexte, l'Inspection du Premier Article (FAI) devient le premier point de contrôle critique pour vérifier si les processus de conception et de fabrication sont alignés. Grâce à une inspection complète du premier article, la FAI peut identifier les problèmes systémiques tôt, évitant ainsi les risques en production de masse. La base d'une exécution efficace de la FAI réside dans des plans de test et des montages méticuleusement conçus.

Différences fondamentales et synergies entre la conception de montages ICT et FCT

Lors de la discussion des complexités de la conception de montages (ICT/FCT), il est essentiel de clarifier d'abord les rôles et les distinctions entre les deux stratégies de test principales :

• Test In-Circuit (ICT) : L'objectif principal est de vérifier la correction au niveau des composants. Il accède aux points de test sur le PCB pour vérifier les paramètres de chaque composant (par exemple, résistance, capacitance), la précision de la soudure des broches (circuits ouverts/courts-circuits) et la fonctionnalité de base (par exemple, polarité de la diode). Les montages ICT sont souvent appelés "lit de clous", avec une conception axée sur l'accès physique à tous les nœuds de réseau critiques.
• Test Fonctionnel (FCT) : L'objectif est de simuler l'environnement d'utilisation finale et de valider si l'ensemble de la carte PCBA fonctionne comme prévu en tant que système. Les bancs de test FCT doivent fournir de l'énergie, des signaux d'entrée et des horloges au DUT tout en capturant et en analysant ses signaux de sortie. Il se concentre sur le comportement au niveau du système plutôt que sur les composants individuels. Pour les cartes porteuses d'IA, la synergie entre ICT et FCT est cruciale. L'ICT peut rapidement détecter les défauts de fabrication tels que les erreurs de soudure et de composants, tandis que le FCT assure la fonctionnalité complexe des puces dans des conditions de haute vitesse et de forte charge. Une excellente stratégie de conception de banc de test (ICT/FCT) tire parti de la technologie Boundary-Scan/JTAG pour compenser l'incapacité des sondes physiques à accéder aux broches BGA haute densité, réduisant ainsi la complexité du banc de test tout en améliorant la couverture des tests.

Défis de l'intégrité des signaux haute vitesse dans la conception des bancs de test

Lorsque les débits de signaux atteignent des niveaux GHz, chaque structure physique du banc de test - des sondes aux fils de connexion - devient un potentiel "tueur de signal". Les sondes et leurs conducteurs forment un "moignon", introduisant des discontinuités d'impédance qui provoquent une réflexion et une atténuation du signal, ce qui peut gravement fermer le diagramme de l'œil haute vitesse dans les cas extrêmes.

Pour relever ce défi, la conception avancée de bancs de test (ICT/FCT) doit respecter les principes suivants :

1. Utiliser des sondes haute fréquence: Sélectionner des sondes coaxiales ou RF spécifiquement conçues pour les applications à large bande passante, avec des structures internes qui maintiennent une impédance caractéristique de 50 ohms ou 100 ohms.
2. Minimiser la longueur des conducteurs: Le chemin physique de la pointe de la sonde à l'instrument de test doit être aussi court que possible. Des structures microstrip ou stripline doivent être utilisées pour le câblage interne, avec un contrôle précis de l'impédance.
3. Optimiser les boucles de masse: Fournir un chemin de retour de masse à faible inductance et étroitement adjacent pour chaque signal haute vitesse. Les agencements de sondes devraient adopter des motifs comme G-S-S-G (Masse-Signal-Signal-Masse) pour réduire la diaphonie.
4. Technologie de désintégration (De-embedding): Pour les applications les plus exigeantes, les paramètres S du dispositif de test lui-même peuvent être mesurés à l'aide d'un analyseur de réseau. L'impact du dispositif sur le signal peut alors être "supprimé" algorithmiquement des résultats de test finaux pour révéler les véritables performances du DUT.

Highleap PCB Factory (HILPCB) possède une vaste expérience dans la fabrication de PCB haute vitesse. Nous comprenons profondément l'impact de la sélection des matériaux et de la conception de l'empilement sur l'intégrité du signal et étendons cette expertise pour fournir des recommandations de conception pour la testabilité, garantissant que les tests ne deviennent pas un goulot d'étranglement pour les performances du produit.

Comment répondre aux exigences d'intégrité de l'alimentation des puces IA dans la conception des fixtures ?

En tant qu'ingénieur en intégrité de l'alimentation (PI), je considère cela comme l'aspect le plus négligé mais critique de la conception des fixtures (ICT/FCT). Les puces IA imposent des exigences extrêmement strictes au réseau de distribution d'énergie (PDN) : impédance aussi faible que des milliohms, courants de crête atteignant des centaines d'ampères et réponses transitoires en nanosecondes.

Un PDN de fixture FCT non qualifié peut entraîner deux problèmes majeurs :

• Excessive IR Drop: Le chemin d'alimentation au sein du banc de test (de l'interface d'alimentation à la sonde, puis au DUT) présente inévitablement une résistance. Si ce chemin est mal conçu, des courants de fonctionnement élevés peuvent provoquer des chutes de tension significatives, empêchant le DUT de fonctionner à sa tension nominale et entraînant des erreurs de jugement FCT.
• Introducing Noise and Oscillation: Des pistes d'alimentation excessivement longues introduisent une inductance supplémentaire, ce qui augmente l'impédance du PDN dans la gamme de fréquences moyennes à élevées, dégrade la réponse transitoire et peut même entrer en résonance avec les condensateurs de découplage sur le DUT, entraînant une instabilité du système.

Pour garantir la validité des tests, la section d'alimentation de la conception du banc de test doit :

• Adopt Multi-point, Large-area Power/Ground Probes: Utiliser plusieurs sondes parallèles à haute capacité de courant pour contacter les plans d'alimentation et de masse du DUT, minimisant ainsi la résistance de contact et l'inductance.
• Implement Kelvin Sensing: Utiliser des sondes "Sense" indépendantes pour mesurer la tension directement près des broches d'alimentation du DUT et renvoyer cette information à l'alimentation de test. Cela permet à l'alimentation de compenser les chutes de tension le long du chemin du banc de test, garantissant que le DUT reçoit une tension précise.
• Integrate Decoupling Capacitors on the Fixture: Placer des condensateurs de découplage (bulk capacitors) à haute capacité et des condensateurs céramiques à faible ESL près des emplacements des sondes du DUT sur le banc de test pour servir de réservoirs de charge locaux, répondant aux demandes de courant transitoire de la puce.

Le Rôle Critique de la Précision Mécanique et de la Technologie des Sondes dans le Test des Substrats d'IA

L'assurance des performances électriques repose sur un contact physique fiable. Pour les substrats AI, en particulier ceux utilisant des boîtiers avancés comme les substrats IC, la précision mécanique est la pierre angulaire de la conception des montages (ICT/FCT).

Les défis clés incluent :

• Précision d'alignement: Les broches de positionnement du montage doivent correspondre précisément aux trous de positionnement sur le PCB pour garantir que des milliers de sondes atterrissent avec précision au centre de minuscules pastilles de test (généralement moins de 200 microns de diamètre).
• Contrôle du gauchissement: En raison de la superposition complexe et de l'épaisseur inégale du cuivre, les substrats AI sont sujets à la déformation après la soudure par refusion. Les montages de test doivent intégrer des mécanismes de serrage ou d'adsorption sous vide efficaces pour aplatir le PCB, assurant un contact uniforme pour toutes les sondes.
• Sélection des sondes: Différents types de pointes de sonde (par exemple, en forme de lance, de couronne ou d'étoile) et de forces de ressort sont nécessaires pour diverses surfaces de points de test (telles que OSP, ENIG ou cuivre nu) afin d'assurer une bonne conductivité tout en évitant d'endommager les pastilles. Le contrôle qualité de l'ensemble du processus d'assemblage SMT détermine directement la fiabilité des points de test.

Les capacités de fabrication de HILPCB garantissent que le PCB lui-même présente une excellente planéité et une précision dimensionnelle, offrant une base solide pour l'intégration de montages de test de haute précision.

Intégration de la technologie Boundary-Scan/JTAG pour optimiser la couverture des tests

Les broches des boîtiers BGA étant cachées sous la puce, les méthodes traditionnelles de test par sondes physiques rencontrent des limitations. La technologie Boundary-Scan/JTAG (norme IEEE 1149.1) offre une solution élégante. Grâce au Test Access Port (TAP) intégré à la puce, elle accède en série à chaque broche fonctionnelle, permettant :

• Test d'interconnexion (Interconnect Testing): Vérifie les ouvertures et les courts-circuits entre les broches de la puce et les connecteurs sans sondes physiques.
• Programmation In-System (ISP): Programme et configure des dispositifs tels que Flash et FPGA.
• Test fonctionnel auxiliaire (Auxiliary Functional Testing): Pendant le FCT, contrôle la puce pour entrer dans des modes de test spécifiques ou lit les états internes via le port JTAG.

L'intégration du Boundary-Scan/JTAG dans la conception des bancs de test (ICT/FCT) réduit considérablement le besoin de sondes physiques, en particulier dans les zones à haute densité. Cela diminue non seulement les coûts de fabrication et la complexité des bancs de test, mais évite également les problèmes d'intégrité du signal causés par les sondes physiques. Une stratégie de test moderne doit combiner l'ICT, le FCT et le Boundary-Scan/JTAG de manière organique.

Intégration de la Traçabilité/MES avec les Données de Test

Dans la production de masse, le contrôle qualité ne se limite pas à des jugements binaires "réussite/échec", mais porte plus important sur la collecte et l'analyse de données. La Traçabilité/MES (Manufacturing Execution System) est au cœur de la réalisation de cet objectif. Chaque PCBA qui réussit les tests doit avoir son numéro de série unique associé à des données de test détaillées, y compris les mesures de résistance et de capacitance ICT, la consommation de tension et de courant FCT, et tout code de défaut.

Une conception intelligente de l'outillage (ICT/FCT) devrait inclure une fonctionnalité de lecture automatique de codes-barres ou de codes QR, lisant automatiquement le numéro de série de la PCBA au début du test. Après les tests, toutes les données sont automatiquement téléchargées dans la base de données de Traçabilité/MES. Cette intégration apporte une valeur significative :

• Analyse Rapide des Causes Profondes: Lorsque des problèmes de lot sont détectés, les données peuvent être rapidement retracées pour identifier des lots spécifiques de matériaux, d'équipements ou de paramètres de processus liés à la défaillance.
• Surveillance de la Capacité des Processus: En analysant statistiquement les données de test (telles que les fluctuations d'une tension spécifique), la stabilité des processus de fabrication comme l'assemblage SMT peut être surveillée, permettant une maintenance prédictive.
• Conformité Qualité et Rapports Clients: Fournir aux clients des rapports complets sur les données de production et de test pour répondre aux exigences strictes de traçabilité dans les industries de pointe (par exemple, automobile, médical).

Impact du Revêtement Conforme sur la Conception de l'Outillage de Test

Pour améliorer la fiabilité des produits dans des environnements difficiles, de nombreux produits matériels d'IA appliquent une couche de revêtement conforme (revêtement protecteur) sur la surface de la PCBA. Bien que ce film protecteur puisse prévenir l'humidité, la poussière et la corrosion, il complique également les tests en couvrant les points de test, empêchant les sondes d'établir un bon contact électrique.

Les stratégies pour résoudre ce problème doivent être envisagées dès la phase de conception, avec trois approches principales :

1. Revêtement Post-Test: C'est la méthode la plus simple mais elle peut augmenter les étapes de manipulation de la PCBA dans le processus.
2. Masquage Sélectif: Avant d'appliquer le revêtement conforme, masquer tous les points de test avec du ruban adhésif pelable ou des points adhésifs. Cela impose des exigences de précision plus élevées aux lignes de production automatisées.
3. Utilisation de Sondes Perforantes: Lors de la conception du montage de test (ICT/FCT), utiliser des sondes à pointes acérées (telles que des têtes en forme de lance ou d'étoile), conçues pour pénétrer les fines couches de revêtement conforme et établir un contact direct avec les pastilles sous-jacentes. Cette méthode nécessite un contrôle précis de la pression de la sonde et de l'épaisseur du revêtement pour assurer un contact fiable sans endommager les pastilles.

Le choix de la stratégie dépend d'une considération complète des coûts, du volume de production, des exigences de fiabilité et du type de revêtement.

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Conclusion

Dans le domaine du matériel d'IA, la concurrence est essentiellement une course à la performance, à la fiabilité et au délai de mise sur le marché. Une étape de production apparemment en arrière-plan, telle que la conception de bancs de test (ICT/FCT), a un impact profond sur ces trois éléments fondamentaux. De la résolution des défis électriques comme les signaux à haute vitesse et la puissance transitoire à la satisfaction des exigences de précision mécanique au niveau du micron, et à l'intégration transparente avec des systèmes de fabrication avancés tels que Boundary-Scan/JTAG et Traçabilité/MES, la conception de bancs de test est devenue une discipline d'ingénierie de précision qui combine une expertise multidisciplinaire. Négliger la complexité des bancs d'essai revient à construire un navire géant sans essais en mer - les risques potentiels sont incommensurables. Le développement réussi de produits d'IA exige l'intégration de la testabilité dès la phase de conception et la sélection de partenaires possédant une expertise approfondie sur l'ensemble du processus, de la fabrication de PCB HDI à l'assemblage clé en main. En tant que fournisseur leader de solutions PCB, HILPCB met à profit sa vaste expertise technique et ses capacités de service tout-en-un pour aider les clients à surmonter tous les défis, de la conception à la production de masse, garantissant que vos idées innovantes sont livrées sur le marché avec les normes de qualité et la fiabilité les plus élevées.

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