Sull'onda dell'intelligenza artificiale (AI) e del calcolo ad alte prestazioni (HPC), la complessità di progettazione dei substrati di chip AI e dei PCB è cresciuta esponenzialmente. Interconnessioni ad alta densità, decine di migliaia di pin BGA e richieste di corrente transitoria di centinaia di ampere pongono sfide senza precedenti alla qualità e all'affidabilità del prodotto. In questo contesto esigente, un'eccezionale progettazione di fixture (ICT/FCT) non è più solo un passaggio finale nel processo di produzione, ma un pilastro fondamentale lungo l'intero ciclo di vita di progettazione, produzione e validazione, determinando direttamente se l'hardware AI può raggiungere una produzione di massa di successo e un funzionamento stabile.

Come ingegneri dell'integrità dell'alimentazione, comprendiamo che ogni millivolt di caduta di tensione o deviazione di temporizzazione a livello di picosecondi può portare a guasti catastrofici del sistema. Pertanto, l'importanza di un fixture di test in grado di simulare accuratamente le condizioni operative reali senza interferire con le prestazioni del dispositivo sotto test (DUT) è evidente. Questo articolo approfondisce la progettazione di fixture (ICT/FCT) nel contesto dei substrati di chip AI, analizzando le sue sfide e soluzioni chiave nell'integrità del segnale, nella distribuzione dell'alimentazione, nella precisione meccanica e nell'integrazione con i processi di produzione avanzati.

Perché il test dei substrati AI è così complesso e critico?

I metodi tradizionali di test dei PCB risultano insufficienti se applicati ai moderni substrati AI. Questi substrati integrano tipicamente acceleratori AI confezionati in 2.5D/3D, memoria ad alta larghezza di banda (HBM) e numerose interfacce I/O ad alta velocità. La loro complessità si manifesta nei seguenti aspetti:

• Densità ultra-elevata e passo fine: Il passo delle sfere di saldatura BGA dei chip AI si è ridotto a 0,4 mm o anche meno, con decine di migliaia di punti di connessione densamente distribuiti. Ciò richiede sonde di test con precisione di posizionamento e stabilità estremamente elevate, poiché anche la minima deviazione può portare a un contatto scadente o a danni a chip costosi.
• Requisiti rigorosi di prestazioni elettriche: Bus ad alta velocità come PCIe 5.0/6.0 e CXL sono altamente sensibili all'adattamento di impedenza e all'attenuazione del segnale. Il dispositivo di test stesso non deve diventare un collo di bottiglia per i segnali e deve essere co-progettato come parte dell'intero canale ad alta velocità.
• Consumo energetico massiccio e sfide termiche: I chip AI possono consumare centinaia di watt a pieno carico, con rapide fluttuazioni di corrente transitorie. Il dispositivo FCT (Functional Test) deve fornire alimentazione stabile, pulita e ad alta corrente e gestire efficacemente il calore generato durante il test per evitare che il DUT (Device Under Test) si rallenti o si guasti a causa del surriscaldamento.
• Stretto accoppiamento tra produzione e assemblaggio: Dalla produzione di substrati IC all'assemblaggio finale SMT, tolleranze minori in ogni fase si accumulano e influiscono sulla testabilità. Pertanto, la progettazione per la testabilità (DFT) deve essere implementata durante la fase di progettazione e le strategie di test devono essere allineate con le capacità di produzione.

In questo contesto, la First Article Inspection (FAI) diventa il primo punto di controllo critico per verificare se i processi di progettazione e produzione sono allineati. Attraverso un'ispezione completa del primo articolo, la FAI può identificare precocemente problemi sistemici, evitando rischi nella produzione di massa. La base per un'efficace esecuzione della FAI risiede in piani di test e attrezzature meticolosamente progettati.

Differenze fondamentali e sinergie tra la progettazione di attrezzature ICT e FCT

Quando si discutono le complessità della progettazione di attrezzature (ICT/FCT), è essenziale chiarire innanzitutto i ruoli e le distinzioni tra le due strategie di test principali:

• Test In-Circuit (ICT): L'obiettivo principale è verificare la correttezza a livello di componente. Accede ai punti di test sul PCB per controllare i parametri di ciascun componente (ad es. resistenza, capacità), l'accuratezza della saldatura dei pin (circuiti aperti/cortocircuiti) e la funzionalità di base (ad es. polarità del diodo). Le attrezzature ICT sono spesso denominate "letto di aghi", con un focus progettuale sull'ottenimento dell'accesso fisico a tutti i nodi di rete critici.
• Test Funzionale (FCT): L'obiettivo è simulare l'ambiente di utilizzo finale e convalidare se l'intera PCBA funziona come previsto come sistema. I dispositivi FCT devono fornire alimentazione, segnali di ingresso e clock al DUT, acquisendo e analizzando i suoi segnali di uscita. Si concentra sul comportamento a livello di sistema piuttosto che sui singoli componenti. Per le schede portanti AI, la sinergia tra ICT e FCT è cruciale. L'ICT può rapidamente individuare difetti di fabbricazione come errori di saldatura e componenti, mentre l'FCT garantisce la complessa funzionalità dei chip in condizioni di alta velocità e alto carico. Un'eccellente strategia di progettazione del dispositivo (ICT/FCT) sfrutta la tecnologia Boundary-Scan/JTAG per compensare l'incapacità delle sonde fisiche di accedere ai pin BGA ad alta densità, riducendo così la complessità del dispositivo e migliorando la copertura del test.

Sfide dell'integrità del segnale ad alta velocità nella progettazione di fixture di test

Quando le velocità del segnale raggiungono livelli di GHz, ogni struttura fisica nel fixture di test - dalle sonde ai fili di collegamento - diventa un potenziale "killer" del segnale. Le sonde e i loro conduttori formano uno "stub", introducendo discontinuità di impedenza che causano riflessione e attenuazione del segnale, il che può chiudere gravemente il diagramma a occhio ad alta velocità in casi estremi.

Per affrontare questa sfida, la progettazione avanzata di fixture (ICT/FCT) deve aderire ai seguenti principi:

1. Utilizzare sonde ad alta frequenza: Selezionare sonde coassiali o RF specificamente progettate per applicazioni ad alta larghezza di banda, con strutture interne che mantengono un'impedenza caratteristica di 50 ohm o 100 ohm.
2. Minimizzare la lunghezza del conduttore: Il percorso fisico dalla punta della sonda allo strumento di test deve essere il più breve possibile. Per il cablaggio interno dovrebbero essere utilizzate strutture microstrip o stripline, con un controllo preciso dell'impedenza.
3. Ottimizzare i loop di massa: Fornire un percorso di ritorno di massa a bassa induttanza e strettamente adiacente per ogni segnale ad alta velocità. I layout delle sonde dovrebbero adottare schemi come G-S-S-G (Massa-Segnale-Segnale-Massa) per ridurre il crosstalk.
4. Tecnologia di De-embedding: Per le applicazioni più esigenti, i parametri S del dispositivo di test stesso possono essere misurati utilizzando un analizzatore di rete. L'impatto del dispositivo sul segnale può quindi essere "rimosso" algoritmicamente dai risultati finali del test per rivelare le vere prestazioni del DUT.

Highleap PCB Factory (HILPCB) ha una vasta esperienza nella produzione di PCB ad alta velocità. Comprendiamo profondamente l'impatto della selezione dei materiali e del design dello stack-up sull'integrità del segnale ed estendiamo questa competenza per fornire raccomandazioni di design-for-testability, garantendo che i test non diventino un collo di bottiglia per le prestazioni del prodotto.

Come affrontare i requisiti di integrità dell'alimentazione dei chip AI nella progettazione del fixture?

Come ingegnere di Power Integrity (PI), considero questo l'aspetto più trascurato ma critico della progettazione del fixture (ICT/FCT). I chip AI impongono requisiti estremamente stringenti alla rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN): impedenza bassa come milliohm, correnti di picco che raggiungono centinaia di ampere e risposte transitorie in nanosecondi.

Un PDN del fixture FCT non qualificato può portare a due problemi principali:

• Excessive IR Drop: Il percorso di alimentazione all'interno del fixture (dall'interfaccia di alimentazione alla sonda e poi al DUT) ha inevitabilmente una resistenza. Se questo percorso è mal progettato, correnti operative elevate possono causare cadute di tensione significative, impedendo al DUT di funzionare alla sua tensione nominale e portando a giudizi errati FCT.
• Introducing Noise and Oscillation: Tracce di alimentazione eccessivamente lunghe introducono induttanza aggiuntiva, che aumenta l'impedenza PDN nella gamma di frequenze medio-alte, degrada la risposta transitoria e può persino risuonare con i condensatori di disaccoppiamento sul DUT, portando a instabilità del sistema.

Per garantire la validità del test, la sezione di alimentazione del design del fixture deve:

• Adopt Multi-point, Large-area Power/Ground Probes: Utilizzare sonde multiple parallele ad alta capacità di corrente per contattare i piani di alimentazione e massa del DUT, minimizzando la resistenza di contatto e l'induttanza.
• Implement Kelvin Sensing: Utilizzare sonde "Sense" indipendenti per misurare la tensione direttamente vicino ai pin di alimentazione del DUT e riportare questo valore all'alimentatore di test. Ciò consente all'alimentatore di compensare le cadute di tensione lungo il percorso del fixture, garantendo che il DUT riceva una tensione precisa.
• Integrate Decoupling Capacitors on the Fixture: Posizionare condensatori bulk ad alta capacità e condensatori ceramici a basso ESL vicino alle posizioni delle sonde del DUT sul fixture per fungere da serbatoi di carica locali, soddisfacendo le richieste di corrente transitoria del chip.

Il Ruolo Critico della Precisione Meccanica e della Tecnologia delle Sonde nel Test dei Substrati AI

La garanzia delle prestazioni elettriche si basa su un contatto fisico affidabile. Per i substrati AI, in particolare quelli che utilizzano packaging avanzati come i substrati IC, la precisione meccanica è la pietra angolare della progettazione dei fixture (ICT/FCT).

Le sfide principali includono:

• Precisione di allineamento: I perni di posizionamento del fixture devono corrispondere precisamente ai fori di posizionamento sul PCB per garantire che migliaia di sonde atterrino accuratamente al centro di minuscoli pad di test (tipicamente meno di 200 micron di diametro).
• Controllo della deformazione: A causa della complessa stratificazione e dello spessore non uniforme del rame, i substrati AI sono soggetti a deformazioni dopo la saldatura a rifusione. I fixture di test devono incorporare efficaci meccanismi di bloccaggio o adsorbimento sottovuoto per appiattire il PCB, garantendo un contatto uniforme per tutte le sonde.
• Selezione delle sonde: Sono necessari diversi tipi di punta della sonda (ad es. a lancia, a corona o a stella) e forze della molla per varie superfici dei punti di test (come OSP, ENIG o rame nudo) per garantire una buona conduttività evitando danni al pad. Il controllo qualità dell'intero processo di assemblaggio SMT determina direttamente l'affidabilità dei punti di test.

Le capacità di produzione di HILPCB assicurano che il PCB stesso presenti un'eccellente planarità e precisione dimensionale, fornendo una solida base per l'integrazione di fixture di test ad alta precisione.

Integrazione della tecnologia Boundary-Scan/JTAG per ottimizzare la copertura dei test

Poiché i pin dei package BGA sono nascosti sotto il chip, i metodi tradizionali di test con sonde fisiche presentano delle limitazioni. La tecnologia Boundary-Scan/JTAG (standard IEEE 1149.1) offre una soluzione elegante. Attraverso il Test Access Port (TAP) integrato nel chip, accede serialmente a ogni pin funzionale, consentendo:

• Test di interconnessione (Interconnect Testing): Verifica la presenza di interruzioni e cortocircuiti tra i pin del chip e i connettori senza sonde fisiche.
• Programmazione In-System (ISP): Programma e configura dispositivi come Flash e FPGA.
• Test funzionale ausiliario (Auxiliary Functional Testing): Durante il FCT, controlla il chip per entrare in modalità di test specifiche o legge gli stati interni tramite la porta JTAG.

L'integrazione di Boundary-Scan/JTAG nella progettazione del fixture (ICT/FCT) riduce significativamente la necessità di sonde fisiche, specialmente in aree ad alta densità. Ciò non solo abbassa i costi di produzione e la complessità del fixture, ma evita anche problemi di integrità del segnale causati dalle sonde fisiche. Una moderna strategia di test deve combinare ICT, FCT e Boundary-Scan/JTAG in modo organico.

Integrazione di Tracciabilità/MES con Dati di Test

Nella produzione di massa, il controllo qualità non riguarda solo giudizi binari "superato/non superato", ma, cosa più importante, la raccolta e l'analisi dei dati. La Tracciabilità/MES (Manufacturing Execution System) è il fulcro per raggiungere questo obiettivo. Ogni PCBA che supera il test deve avere il suo numero di serie univoco associato a dati di test dettagliati, inclusi misurazioni di resistenza e capacità ICT, consumo di tensione e corrente FCT e qualsiasi codice di errore.

Un design intelligente del fixture (ICT/FCT) dovrebbe includere funzionalità di scansione automatizzata di codici a barre o QR, leggendo automaticamente il numero di serie della PCBA all'inizio del test. Dopo il test, tutti i dati vengono caricati automaticamente nel database di Tracciabilità/MES. Questa integrazione porta un valore significativo:

• Analisi Rapida delle Cause Radice: Quando vengono rilevati problemi di lotto, i dati possono essere rapidamente rintracciati per identificare lotti specifici di materiali, attrezzature o parametri di processo correlati al guasto.
• Monitoraggio della Capacità di Processo: Analizzando statisticamente i dati di test (come le fluttuazioni di una tensione specifica), è possibile monitorare la stabilità dei processi di produzione come l'assemblaggio SMT, consentendo la manutenzione predittiva.
• Conformità Qualitativa e Reporting al Cliente: Fornire ai clienti rapporti completi sui dati di produzione e test per soddisfare i rigorosi requisiti di tracciabilità nelle industrie di fascia alta (es. automobilistico, medico).

Impatto del Rivestimento Conforme sul Design del Fixture di Test

Per migliorare l'affidabilità del prodotto in ambienti difficili, molti prodotti hardware AI applicano uno strato di rivestimento conforme (rivestimento protettivo) sulla superficie della PCBA. Sebbene questa pellicola protettiva possa prevenire umidità, polvere e corrosione, complica anche i test coprendo i punti di prova, impedendo alle sonde di stabilire un buon contatto elettrico.

Le strategie per affrontare questo problema devono essere considerate durante la fase di progettazione, con tre approcci principali:

1. Rivestimento Post-Test: Questo è il metodo più semplice ma può aumentare i passaggi di manipolazione della PCBA nel processo.
2. Mascheratura Selettiva: Prima di applicare il rivestimento conforme, mascherare tutti i punti di prova con nastro adesivo rimovibile o punti adesivi. Ciò impone requisiti di precisione più elevati alle linee di produzione automatizzate.
3. Utilizzo di Sonde Perforanti: Durante la progettazione del Fixture (ICT/FCT), impiegare sonde con punte affilate (come teste a lancia o a stella), progettate per penetrare strati sottili di rivestimento conforme e stabilire un contatto diretto con i pad sottostanti. Questo metodo richiede un controllo preciso della pressione della sonda e dello spessore del rivestimento per garantire un contatto affidabile senza danneggiare i pad.

La scelta della strategia dipende da una considerazione completa di costi, volume di produzione, requisiti di affidabilità e tipo di rivestimento.

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Conclusione

Nel campo dell'hardware AI, la competizione è essenzialmente una corsa a prestazioni, affidabilità e tempo di commercializzazione. Un passaggio di produzione apparentemente di back-end come la progettazione di fixture (ICT/FCT) ha un impatto profondo su questi tre elementi fondamentali. Dalla gestione delle sfide elettriche come i segnali ad alta velocità e la potenza transitoria, al soddisfacimento dei requisiti di precisione meccanica a livello micrometrico, e all'integrazione senza soluzione di continuità con sistemi di produzione avanzati come Boundary-Scan/JTAG e Traceability/MES, la progettazione di fixture di test è diventata una disciplina di ingegneria di precisione che combina competenze multidisciplinari. Trascurare la complessità degli apparecchi di test è come costruire una nave gigantesca senza prove in mare: i rischi potenziali sono incommensurabili. Lo sviluppo di prodotti AI di successo richiede l'integrazione della testabilità fin dalla fase di progettazione e la selezione di partner con profonda esperienza nell'intero processo, dalla produzione di PCB HDI all'assemblaggio chiavi in mano. In qualità di fornitore leader di soluzioni PCB, HILPCB sfrutta la sua vasta esperienza tecnica e le sue capacità di servizio one-stop per aiutare i clienti a superare ogni sfida, dalla progettazione alla produzione di massa, garantendo che le vostre idee innovative siano immesse sul mercato con i più alti standard di qualità e affidabilità.

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