Разработка оснастки (ICT/FCT): Решение проблем высокой плотности мощности и теплового менеджмента в печатных платах систем питания и охлаждения
technology6 ноября 2025 г. 10 мин чтения
Разработка оснастки (ICT/FCT)NPI EVT/DVT/PVTИнспекция первого образца (FAI)Конформное покрытиеBoundary-Scan/JTAGМонтаж SMT
В современных системах электропитания и охлаждения плотность мощности печатных плат увеличивается беспрецедентными темпами. От источников питания серверов в центрах обработки данных до электронных блоков управления в транспортных средствах на новых источниках энергии, мощные устройства обеспечивают исключительную производительность, выделяя при этом значительное количество тепла. Это не только накладывает строгие требования на окончательное тепловое решение продукта, но и создает беспрецедентные проблемы для проектирования оснастки (ICT/FCT) во время производственных испытаний. Плохо спроектированная тестовая оснастка может привести к неточным результатам испытаний из-за накопления тепла или даже повредить дорогостоящие компоненты во время тестирования. Поэтому интеграция передовых стратегий терморегулирования в проектирование оснастки (ICT/FCT) стала критически важным шагом для обеспечения качества и надежности продукции.
Как инженеры систем охлаждения, мы понимаем, что тепло является врагом номер один для надежности электронных изделий. На всех этапах NPI EVT/DVT/PVT (New Product Introduction Engineering/Design/Production Validation Testing) функциональное тестирование (FCT) и внутрисхемное тестирование (ICT) являются ключевыми контрольными точками для проверки качества проектирования и производства. Однако, когда тестируемое устройство (DUT) работает на полной мощности, выделяемое тепло должно эффективно рассеиваться; в противном случае температура перехода (Tj) компонентов быстро превысит безопасные пороговые значения, что приведет к снижению производительности или необратимому повреждению. Таким образом, современные тестовые приспособления должны развиваться за пределы традиционных функций электрического подключения, превращаясь в прецизионные системы, которые интегрируют электрическое тестирование с эффективным тепловым управлением.
Почему традиционные тестовые приспособления сталкиваются с проблемами теплового управления?
Традиционные приспособления для ICT/FCT, такие как «ложе из гвоздей», в первую очередь предназначены для установления надежных электрических соединений для измерения сигналов. Они обычно изготавливаются из изоляционных материалов, практически не обладающих способностью рассеивать тепло. При тестировании печатных плат с высокой плотностью мощности, таких как силовые платы, использующие печатные платы с толстым слоем меди, возникают следующие проблемы:
- Неконтролируемые локальные горячие точки: Такие компоненты, как силовые МОП-транзисторы, ПЛИС или процессоры, генерируют концентрированное тепло во время полнонагрузочного тестирования. Без эффективных путей рассеивания тепла эти горячие точки испытывают быстрые скачки температуры.
- Несогласованные результаты испытаний: Электрические характеристики полупроводниковых приборов (например, сопротивление в открытом состоянии, частота переключения) тесно связаны с температурой. Чрезмерные температуры могут привести к отклонению показаний тестов от нормальных диапазонов, что ведет к ошибочным суждениям и увеличению сложности отладки.
- Потенциальное повреждение компонентов: Во время длительных испытаний на приработку или функциональную проверку, постоянное тепловое напряжение ускоряет старение компонентов или даже вызывает немедленный отказ, особенно на ранних стадиях NPI EVT/DVT/PVT, когда тепловая конструкция продукта может быть еще не полностью зрелой.
- Невозможность имитации реальных условий эксплуатации: Конечные продукты обычно оснащены радиаторами, вентиляторами или системами жидкостного охлаждения. Если тестовое приспособление не может обеспечить аналогичные условия охлаждения, результаты испытаний не будут точно отражать производительность и надежность продукта в реальных условиях эксплуатации.
Интеграция конструкции теплового пути "переход-корпус-плата" с тестовыми приспособлениями
Для решения проблем рассеивания тепла во время тестирования мы должны начать с источника тепловыделения — температуры перехода кристалла (Tj). Тепловое сопротивление (Rθ) всего теплового пути, от кристалла (перехода) до корпуса (Case) и затем до печатной платы (Board), определяет эффективность охлаждения. Отличная конструкция оснастки (ICT/FCT) должна обеспечивать расширение этого теплового пути с низким тепловым сопротивлением.
При проектировании мы используем обширные массивы тепловых переходных отверстий и увеличиваем площадь медного слоя заземления на печатной плате для эффективного отвода тепла от нижней части компонента к обратной стороне печатной платы. Здесь конструкция тестовой оснастки становится критически важной: она должна точно сопрягаться с этими зонами охлаждения на обратной стороне печатной платы с использованием специальных тепловых блоков (обычно медных или алюминиевых) для отвода тепла. Перед массовым производством обеспечение полного соответствия тепловых переходных отверстий и охлаждающих медных слоев печатной платы проектным спецификациям посредством Первичной инспекции образца (FAI) является первым шагом к гарантированию тепловых характеристик оснастки.
Процесс реализации: Шаги по проектированию оснастки с интегрированным тепловым управлением
- Анализ горячих точек: Определите основные источники тепла и их мощность на тестируемом устройстве с помощью термического моделирования или предварительного тестирования.
Выбор решения для охлаждения: Выберите подходящие компоненты охлаждения (радиаторы, тепловые трубки, испарительные камеры или холодные пластины) на основе общего тепла и плотности теплового потока.
Проектирование механической структуры: Разработайте структуру приспособления для обеспечения точного выравнивания и контакта между тепловыми модулями и тестируемым устройством (DUT), не мешая тестовым зондам.
Выбор и применение ТИМ: Выберите подходящие теплопроводящие материалы (ТИМ) и разработайте механизм прижимной нагрузки для минимизации теплового сопротивления.
Системная интеграция и валидация: Интегрируйте систему охлаждения с электрической тестовой системой и проверьте производительность с помощью таких инструментов, как инфракрасные тепловизионные камеры.
Окно тепловых параметров приспособления (Пример)
| Параметр |
Типичный диапазон |
Ключевые моменты |
| Плотность теплового потока |
5–25 Вт/см² |
Определяет выбор VC/холодной пластины и скорость потока |
| Контактное давление |
0.1–0.5 МПа |
Обеспечение толщины ТИМ и низкого термического сопротивления |
| Толщина ТИМ |
0.1–0.5 мм |
Постоянство толщины при многократном зажиме |
| Расход воздуха/жидкости |
Воздух 10–30 CFM; Жидкость 1–5 л/мин |
Обеспечение безопасной температуры перехода в наихудшем случае |
Примечание: Это примерное окно, а не окончательное значение; для окончательных значений см. образцы FAI и SOP/MES固化.
Матрица покрытия тестов (EVT/DVT/PVT)
| Фаза |
FPT |
ICT |
FCT |
| EVT |
Высокое покрытие |
Опционально |
Базовая функциональность |
| DVT |
Среднее покрытие |
Расширенное покрытие |
Связь повышения температуры/старения |
| PVT/MP |
Выборочная проверка |
Высокое покрытие ICT |
100% FCT |
Примечание: Матрица является примером; окончательное покрытие зависит от стандартов заказчика и завершения NPI.
Данные и SPC (Примеры полей)
| Категория |
Ключевые поля |
Описание |
| Тепловые параметры оснастки |
Контактное давление, Толщина TIM, Расход воздуха/Скорость потока |
Привязано к партии; Мониторинг тенденций SPC |
| Электрическое тестирование |
Процент прохождения ICT, Функция FCT/Потребление энергии |
Автоматическая изоляция при превышении лимита и повторное тестирование |
Примечание: Поля являются примерами; окончательные спецификации должны соответствовать требованиям заказчика и FAI-фиксации.
Паровые камеры/Тепловые трубки/Холодные плиты: Выбор оптимальных тепловых компонентов для оснастки ICT/FCT
Исходя из мощности и плотности теплового потока тестируемой печатной платы, мы можем интегрировать различные уровни тепловых решений в тестовые приспособления:
- Пассивный радиатор: Для сценариев средней и низкой мощности (обычно <50 Вт) алюминиевый или медный ребристый блок, прижатый непосредственно к горячей точке тестируемого устройства (DUT), достаточен при естественной конвекции или принудительном воздушном охлаждении.
- Тепловая трубка (Heat Pipe): Идеально подходит для концентрированных источников тепла на небольших площадях. Она эффективно "транспортирует" тепло от точек контакта к более крупным радиаторным ребрам вдали от DUT, избегая чрезмерных структур рассеивания тепла в ограниченных пространствах приспособлений.
- Паровая камера (VC): Для крупноплощадных источников тепла (например, больших BGA-чипов) или нескольких рассеянных источников тепла VC быстро рассеивает тепло по плоскости со сверхнизким термическим сопротивлением, прежде чем передать его охлаждающим ребрам. Особенно эффективна для сложных плат SMT-монтажа.
- Холодная пластина с жидкостным охлаждением: Когда мощность превышает сотни или даже тысячи ватт, воздушное охлаждение достигает своих пределов. В этом случае холодные пластины с жидкостным охлаждением должны быть интегрированы в приспособления. Циркулирующий хладагент (например, вода или смеси гликоля) через внутренние каналы отводит массивные тепловые нагрузки, обеспечивая стабильные низкотемпературные условия для тестирования карт-ускорителей ИИ, мощных инверторов и т.д.
Критическая роль термоинтерфейсных материалов (ТИМ) в тестовых приспособлениях
Даже самые передовые тепловые компоненты будут работать неэффективно, если между ними и DUT существуют воздушные зазоры. Термоинтерфейсные материалы (ТИМ) заполняют эти микроскопические зазоры для создания эффективных путей теплопроводности.
Выбор и применение ТИМ (термоинтерфейсных материалов) в тестовых приспособлениях сложнее, чем в конечных продуктах, поскольку они должны обеспечивать баланс между многоразовым использованием, стабильностью и низким термическим сопротивлением. Термопрокладки обычно используются для легкой установки/замены, но имеют относительно более высокое термическое сопротивление. Для критически важных по производительности испытаний термопаста или материалы с фазовым переходом превосходят их, хотя они требуют механизмов точного контроля давления для обеспечения постоянной толщины ТИМ при каждом зажиме тестируемого устройства (DUT). Примечательно, что если в конечном продукте будет использоваться конформное покрытие (Conformal Coating), его влияние на термическое сопротивление должно быть оценено во время тестирования, или высокомощные испытания должны предшествовать нанесению покрытия. Выбор поставщиков полного цикла, таких как HILPCB, для монтажа SMT позволяет гибко планировать процессы тестирования и нанесения покрытия.
Ключевые аспекты производства и сборки
- Подложка печатной платы с высокой теплопроводностью: Выбирайте материалы, такие как [печатные платы с высокой теплопроводностью](/products/high-thermal-pcb), для улучшения рассеивания тепла от источника.
- Точный контроль допусков: Толщина печатной платы и плоскостность радиатора определяют производительность ТИМ.
- Термический баланс пайки: Во время **SMT-монтажа** большие медные области и тепловые переходные отверстия должны быть оптимизированы с учетом профиля оплавления.
- Доступность контрольных точек: Конструкции радиаторов не должны препятствовать доступу к критическим контрольным точкам для ICT или **Boundary-Scan/JTAG**.
Моделирование и валидация: Обеспечение надежности оснастки при реальном тестировании
Перед производством крайне важно провести тепловой анализ оснастки, интегрированной с решениями для охлаждения, используя инструменты моделирования, такие как CFD (Computational Fluid Dynamics). С помощью моделирования мы можем предсказать распределение температуры тестируемого устройства (DUT) во время тестирования, оптимизировать конструкции ребер радиатора, каналы воздушного потока или пути потока холодной пластины, а также убедиться, что температуры переходов остаются в безопасных пределах в наихудших условиях.
После изготовления оснастки обязательна строгая физическая валидация. Инфракрасная термография может визуально фиксировать распределение температуры поверхности печатной платы, выявляя неожиданные Hot Spots. В сочетании с электрическими тестами, такими как Boundary-Scan/JTAG, производительность чипа может контролироваться при различных тепловых нагрузках для обеспечения всестороннего и точного тестирования. Этот процесс валидации является критически важной частью рабочего процесса NPI EVT/DVT/PVT, закладывая прочную основу для массового производства.
Проектирование оснастки для технологичности и ремонтопригодности
Наконец, успешная конструкция оснастки (ICT/FCT) должна также уделять первостепенное внимание технологичности и ремонтопригодности. Операторы должны быстро и точно загружать и выгружать тестируемые устройства (DUT). Механизмы зажима и освобождения для модулей охлаждения должны быть простыми и надежными, чтобы избежать повреждения печатных плат или компонентов.
Кроме того, расходные материалы, такие как тестовые зонды и термоинтерфейсы (TIM), должны легко заменяться. Во время Первичной инспекции изделия (FAI) как тестируемое устройство (DUT), так и конструкция оснастки должны быть оценены на предмет долгосрочного, высокоинтенсивного производственного использования. Например, если продукт имеет конформное покрытие, могут потребоваться зонды с острыми наконечниками, что увеличивает требования к долговечности зондов и частоте их замены.
Получить предложение по печатным платам
Заключение
В итоге, по мере того как печатные платы систем электропитания и охлаждения продвигаются к более высоким плотностям мощности, проектирование оснастки (ICT/FCT) превратилось из чисто электротехнической задачи в сложную задачу системной инженерии, включающую термодинамику, гидродинамику и материаловедение. Глубокая интеграция передовых технологий охлаждения, таких как испарительные камеры, тепловые трубки или жидкостные холодные пластины, с испытательными приспособлениями, в сочетании с точным моделированием и валидацией, является единственным способом обеспечить стабильную производительность и точные данные для мощной электроники во время тестирования. Сотрудничество с экспертами, такими как HILPCB, которые разбираются как в производстве печатных плат, так и в тестировании сборок, гарантирует, что тепловое управление и тестируемость учитываются с этапа проектирования, обеспечивая успешный вывод вашего продукта на рынок.
