一顆小小的芯片，為何會(huì)產(chǎn)生那么大的熱

發(fā)布時(shí)間：2021-09-08 文章來源：本站瀏覽次數(shù)：4128

滾燙的手機(jī)，溫度過高而死機(jī)的電腦，這些問題時(shí)常困擾著廣大的使用者們，這背后的原因多半要?dú)w咎于芯片過熱。實(shí)際上芯片的發(fā)熱問題不僅造成了使用上的不便，也給生產(chǎn)者們帶來了巨大的技術(shù)成本，并限制了芯片性能的進(jìn)一步的提升。

一顆小小的芯片為何會(huì)產(chǎn)生那么大的熱量？芯片的性能與發(fā)熱量有什么關(guān)系？工程師和科學(xué)家們又是用什么方法來解決這一問題？本文就將為你揭曉以上問題的答案。

一，功耗是芯片的夢魘

1965年，英特爾創(chuàng)始人之一的戈登·摩爾提出了經(jīng)典的摩爾定律， “每18個(gè)月性能提升一倍，價(jià)格降低一半”，這條金科玉律就像一座路標(biāo)，指引著行業(yè)發(fā)展的方向與節(jié)奏。隨之而來的就是更小的晶體管，頻率更高的CPU，集成度更高的數(shù)字電路和更低的成本。一代又一代的芯片和電子產(chǎn)品由專用走向普及，并逐漸滲透到了生活和工作的方方面面。

也正是如此，人們打開了數(shù)字世界的大門，看到了前所未見的光景。但與此同時(shí)，芯片性能的躍升也逐漸遇到了瓶頸……

以柵極氧化層為例，在采用CMOS數(shù)字電路構(gòu)造的CPU里，它起到關(guān)鍵的絕緣作用。柵極氧化層不僅要保證表面平整，不能有缺陷，為了符合半導(dǎo)體工藝標(biāo)準(zhǔn)，它的厚度也有一個(gè)理論的上限值。當(dāng)制程工藝由90nm向65nm過渡時(shí)，雖然芯片的集成度得到了提升，但是想要將小于2nm的這層?xùn)艠O氧化層的厚度繼續(xù)降低，卻是十分困難。這一技術(shù)難題讓英特爾這樣的芯片巨頭也為之頭疼。

隨著芯片的加工工藝精度進(jìn)入原子級別，任何缺陷都被會(huì)被無限放大，比如在內(nèi)部結(jié)構(gòu)中僅僅缺少一個(gè)原子的厚度，就可能引起非常大的漏電流，這樣的漏電流不僅白白浪費(fèi)了電能，更是引起芯片嚴(yán)重發(fā)熱的原因。以早期的英特爾奔騰四CPU為例，有一半的功耗就是由于漏電被浪費(fèi)了。

如今的CPU的單核速度可達(dá)到4GHz，算力的提升也帶來了功耗和發(fā)熱量的水漲船高，這時(shí)如果還照方抓藥式地采用傳統(tǒng)的風(fēng)扇降溫，CPU內(nèi)部的熱量就會(huì)迅速攀升甚至將其融化。為了兼顧算力和功耗，工程師則采用了雙核芯片及多核的方法，走多核芯片路線以分擔(dān)單顆CPU的工作負(fù)荷間從而降低功耗和發(fā)熱。除此以外，此后材料的革新，也能夠?qū)暮蜕崞鸬搅朔浅４蟮膬?yōu)化作用。

二，神秘的測試

測試是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)。就像學(xué)生時(shí)代的臨考前，老師們千叮嚀萬囑咐的一句話：做完題目別著急交卷，先檢查檢查，在半導(dǎo)體制造過程中更是如此，從芯片的制造到交付出貨期間，芯片測試已成為了不可或缺的環(huán)節(jié)。

在所有電子元器件的制造工藝?yán)锩妫嬖谥未嬲娴男枰�，為了�?shí)現(xiàn)試驗(yàn)的過程，就需要各種試驗(yàn)設(shè)備，這類設(shè)備就是所謂的ATE（Automatic Test Equipment）。

ATE是一種通過計(jì)算機(jī)控制，進(jìn)行芯片、電路板和子系統(tǒng)等測試的設(shè)備，通過計(jì)算機(jī)編程取代人工勞動(dòng)，自動(dòng)化地完成測試序列。ATE的應(yīng)用場合涵蓋集成電路整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈，主要包括了芯片的設(shè)計(jì)驗(yàn)證、晶圓制造相關(guān)的測試到封裝完成后的成品測試。

ATE市場的發(fā)展可以追溯到1960年代，早期的半導(dǎo)體測試設(shè)備發(fā)展并不完全是由獨(dú)立的設(shè)備商引導(dǎo)，而是由半導(dǎo)體制造公司主導(dǎo)。仙童半導(dǎo)體（Fairchild）、德州儀器（TI）等制造企業(yè)生產(chǎn)ATE都是用于內(nèi)部使用，而從1980年代起，ATE領(lǐng)域開始進(jìn)行整合，2011年惠瑞捷（VERIGY）被收購后，形成了以泰瑞達(dá)（Teradyne）和愛德萬測試的雙寡頭格局。

回顧ATE的發(fā)展史，可以說泰瑞達(dá)是“第一個(gè)吃螃蟹的人”。早在1960年，兩位麻省理工高材生在波士頓創(chuàng)立了泰瑞達(dá)公司。如今，在波士頓總部的展示區(qū)域，依舊陳列著世界上第一臺ATE設(shè)備D133，它是1961年推出的第一臺二極管測試機(jī)，標(biāo)志著自動(dòng)測試設(shè)備邁入全新紀(jì)元。Teradyne（泰瑞達(dá)）的命名頗有意思，名字中的"Tera"取自10的12次方的前綴，"dyne"是力學(xué)的單位。如此命名，也意味著這家公司將是一股不容小覷的巨大力量。

從70年代到80年代早期的十年間，集成電路經(jīng)歷了由小規(guī)模到中規(guī)模再到大規(guī)模和超大規(guī)模的變遷。這時(shí)計(jì)算機(jī)控制的測試系統(tǒng)成為主要的測試設(shè)備。80年代中期，隨著門陣列器件的成功開發(fā)，對于測試方面要求達(dá)到了256管腳，速度高于40MHz。進(jìn)入到90年代，單片處理器單元（MPU）的問世也帶來了高速高管腳數(shù)的ATE。隨后多媒體器件的出現(xiàn)使ATE變得更加復(fù)雜，需要同時(shí)具有數(shù)字電路、模擬電路和存儲器電路的測試能力。

近年來，工藝節(jié)點(diǎn)不斷提升，芯片制程工藝不斷逼近物理極限，這些也帶來了更高的集成度。隨之而來，整個(gè)芯片的功耗方案也要作出相對應(yīng)的改變。

當(dāng)下，先進(jìn)制程芯片具有非常復(fù)雜的供電系統(tǒng)，測試成本不斷增加的同時(shí)，測試環(huán)節(jié)對產(chǎn)品良率的監(jiān)控將會(huì)愈發(fā)重要，這樣的情況下，ATE該如何測試？

三，實(shí)際測試中的挑戰(zhàn)

實(shí)際測試中的挑戰(zhàn)

應(yīng)用處理器的測試機(jī)里有兩個(gè)非常重要的單元，其一是數(shù)字芯片測試的數(shù)字I/O，數(shù)字I/O承擔(dān)了相對復(fù)雜的工作，可以抓取失效；另一個(gè)就是電源，雖然DC電源看起來比較簡單，但在實(shí)際的大功率處理器的測試中，電源在起到非常重要的作用，因?yàn)樗鼪Q定了測試質(zhì)量，最終測試的良率也與電源的實(shí)際性能息息相關(guān)。

展開來看，應(yīng)對不同的挑戰(zhàn)，不同測試環(huán)節(jié)的測試參數(shù)和應(yīng)用場景稍有區(qū)別，就需要采取不同的解決方案。

對于復(fù)雜的供電問題，利用模塊化的供電策略可以降低多相位復(fù)雜供電的困擾。通過靈活地分配測試資源，將電源拆解成一個(gè)個(gè)小的電源模塊，任意組合成小的單元模塊給不同的電源軌供電，同時(shí)還可以利用冗余的電源模塊來幫助已經(jīng)預(yù)設(shè)好的模塊降低供電電源軌的穩(wěn)壓壓力。

簡單舉例，一個(gè)需要30安培的VDD引腳，如果每個(gè)通道支持5安培的輸出能力，可以組合6個(gè)這樣的單元來供電，同時(shí)利用冗余的通道組合單元與前面的6個(gè)單元組合在一起降低供電壓力。

此外，還可以利用軟件編程的方式設(shè)定上電次序、軟啟動(dòng)等，以減少外圍供電電路。

對于大多數(shù)應(yīng)用處理器來說，工作頻率與VDD一般呈現(xiàn)正相關(guān)性。在前期的設(shè)計(jì)驗(yàn)證中，廠商會(huì)嘗試尋找sweet point使得芯片在有限的功耗下表現(xiàn)出更好的性能，在實(shí)際的生產(chǎn)測試中，可能會(huì)直接地設(shè)定一個(gè)指定的VDD，看其能否在這個(gè)特定的VDD下達(dá)到預(yù)期的頻率。

數(shù)據(jù)整理來自泰瑞達(dá)

然而，在實(shí)際的測試中，沒有一款測試機(jī)是完美的。實(shí)際操作中，芯片會(huì)經(jīng)常性產(chǎn)生誤差，一種方式是嘗試編程稍高于芯片預(yù)設(shè)值的電壓，由于考慮芯片的誤差及所有的損耗，需要保證芯片引腳上的電壓依然高于預(yù)期值。通過這種測試方法，即使儀表波動(dòng)到最低的電壓情況下，質(zhì)量好的器件仍然可以pass，從而獲得更高的良率。

另一種方式，直接將測試儀表的輸出編程等于預(yù)期值，由于實(shí)際上一些測試機(jī)并不能達(dá)到良好的精準(zhǔn)度，在一些情況下略低于輸出，導(dǎo)致這部分的芯片實(shí)際測試電壓低于預(yù)期值。

這兩種方式會(huì)造成不同的負(fù)面效果。在第一種的情況下，VDD的預(yù)期值需要制定得更高一些，這樣的話實(shí)際的電壓會(huì)高于預(yù)期值，實(shí)際測試中的熱損耗也會(huì)更大，在測試中就需要低速的向量幫助降溫。

第二種情況下，雖然實(shí)際出貨的產(chǎn)品都能夠pass預(yù)期值，但是對于一些誤差比較大的機(jī)器，會(huì)造成額外的良率損失。對于7nm、5nm的先進(jìn)制程產(chǎn)品來說，良率是極其重要的一個(gè)因素，由于先進(jìn)制程產(chǎn)品尤其是晶圓面積較大時(shí)的良率本身非常低，在此基礎(chǔ)上如果又額外損失一部分良率，這對于器件制造成本是難以接受的。

面對種種挑戰(zhàn)，我們該如何測試？測試機(jī)應(yīng)該具備怎樣的特性滿足以上的諸多挑戰(zhàn)需求呢？

四，不同測試挑戰(zhàn)的對癥下藥

“Millivolts Matter”，每一個(gè)毫伏的精度都非常重要。越來越低的核心電壓對電源的輸出精度，以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)提出了越來越高的要求。泰瑞達(dá)一直把電源儀表的輸出電壓能力作為儀表設(shè)計(jì)最重要的參數(shù)之一，這也是泰瑞達(dá)區(qū)分于眾多ATE廠商的特征之一。

在實(shí)際測試過程中電源的供電不是完全平坦的，實(shí)際的電源功耗與實(shí)際工況有很大關(guān)系，甚至?xí)䦟?dǎo)致芯片丟失狀態(tài)，從而導(dǎo)致器件失效。這樣的問題既難預(yù)測又很難排查。

通過不斷改變輸出的VDD與Scan Shift頻率來查看所有測試向量的輸出結(jié)果，當(dāng)VDD越低頻率越高時(shí)，越容易發(fā)生失效。在實(shí)際的Shmoo測試案例中，泰瑞達(dá)的UltraFLEXplus具有更穩(wěn)定的供電電源，這意味著可獲得更高的邊界良率，使得芯片更加貼近于真實(shí)的本征。這樣一來，在實(shí)際產(chǎn)品中，我們對于芯片的實(shí)際工況便能夠得到一個(gè)更加準(zhǔn)確的推斷，知道哪些情況是可以工作的，哪些情況是不能工作�？偟膩碚f，更好更穩(wěn)定電源不僅能夠提升良率，還能夠認(rèn)識芯片在真正工況下的工作狀態(tài)。

數(shù)據(jù)整理來自泰瑞達(dá)

目前，很多芯片需要非常大的電流供電能力，輸出一個(gè)非常大的電流能力對測試機(jī)來說已經(jīng)不是一個(gè)難題了，很多測試機(jī)已經(jīng)能夠輕松供給1000A的輸出能力。然而多工位測試的時(shí)候每個(gè)芯片的單個(gè)電源軌上電都要達(dá)到800 -1000A，測試機(jī)雖然能夠滿足1000A的靜態(tài)供電，它是否能夠滿足0A到1000A的單步上電過程，成為了一個(gè)難題。在多工位測試的時(shí)候，泰瑞達(dá)所提供的解決方案就能夠滿足單步上電的大電源供給。

數(shù)據(jù)整理來自泰瑞達(dá)

除了關(guān)注電源靜態(tài)、動(dòng)態(tài)的部分，在電源的外圍電路設(shè)計(jì)上，socket、探針卡、loadboard等與電源的性能也是息息相關(guān)。

測試儀表的動(dòng)態(tài)響應(yīng)對直流電源的表現(xiàn)影響非常大，優(yōu)秀的電源方案可以幫助減少外圍電源電路的復(fù)雜度。傳統(tǒng)的ATE解決方案首先需要板卡提供能量供給，大多供給從直流部分到100kHz的頻域范圍，針對低頻、中頻、高頻等其他頻段也需要增加不一樣的外圍電路，致使整體電路比較復(fù)雜。

泰瑞達(dá)側(cè)重于簡化電路設(shè)計(jì)，通過ATE本身就能提供從低頻到中頻的輸出能力，不需要增加額外的外圍電路，盡可能減少電容數(shù)量。在實(shí)際操作中，只需加入較少種類的低ESR/ESL陶瓷電容來幫助改變高頻特性，令單個(gè)型號就可滿足輸出的動(dòng)態(tài)性能。

這樣的好處在于：1）降低電容值以加速恢復(fù)時(shí)間；2）電容少意味著充放電時(shí)間更快，也就意味著充放電的能量會(huì)變少，這樣可以加速測試時(shí)間并降低socket被能量損傷的概率；3）降低電容使用種類，在使用單一電容的情況下，可以降低電路發(fā)生諧振、慢恢復(fù)等的可能性。

另一個(gè)比較大的挑戰(zhàn)在于測試單元，大功率的先進(jìn)制程芯片功率耗散非常大，多數(shù)輸出的能量最終都會(huì)轉(zhuǎn)化為熱量。我們在測試時(shí)要避免芯片無限制地升溫導(dǎo)致芯片“被燒壞”，而是希望在測試參數(shù)的時(shí)候做到可重復(fù)、可重現(xiàn)，使芯片維持在穩(wěn)定的情況下測試，保證所有收取數(shù)據(jù)的一致性。最直接的辦法可采用在測試單元的時(shí)候使用ATC（Automatic Temperature Control），常見的辦法有三種：方案一）DUT Power Monitor；方案二）Die Temperature Monitor；方案三）Package Temperature Monitor。

數(shù)據(jù)整理來自泰瑞達(dá)

三種方式各有利弊，在時(shí)間上的效益也不同（如上圖），泰瑞達(dá)更加傾向于使用方案一，其優(yōu)點(diǎn)在于可以更早預(yù)判芯片接下來可能發(fā)生的狀態(tài)并提前介入；其次，泰瑞達(dá)測試機(jī)原身也能夠支持這種方式，輸出每一個(gè)DPS當(dāng)下負(fù)載的百分比以及輸出電壓的大小。

在很多實(shí)際量產(chǎn)的案例中，泰瑞達(dá)已經(jīng)使用了這種監(jiān)控方式，對比方案二、三可以更早預(yù)知芯片的實(shí)際工況。

芯片功率不斷加大的情況下電路變得更加復(fù)雜，我們希望在測試的過程中所有的socket、探針卡、loadboard等都能得到比較好的監(jiān)控，保證在短路、接觸不良等異常情況發(fā)生時(shí)不會(huì)因此而損壞測試部件。

為避免這種情況發(fā)生，泰瑞達(dá)在設(shè)計(jì)大部分測試板卡的過程中會(huì)添加實(shí)時(shí)的報(bào)警機(jī)制，一旦任何異常發(fā)生，能夠在不影響其他設(shè)備生產(chǎn)和中斷生產(chǎn)的情況下，通過測試機(jī)作出實(shí)時(shí)警告，提前篩查避免異常情況的出現(xiàn)，減少測試漏測、質(zhì)量事故等情況的發(fā)生。

數(shù)據(jù)整理來自泰瑞達(dá)

總結(jié)

半導(dǎo)體測試就是通過測量半導(dǎo)體的輸出響應(yīng)、預(yù)期輸出、并進(jìn)行比較以確定或評估集成電路功能和性能的過程，貫穿設(shè)計(jì)、制造、封裝、應(yīng)用全過程。隨著半導(dǎo)體制造工藝要求的提升，測試環(huán)節(jié)在半導(dǎo)體制造過程中的地位隨之不斷提升。

半導(dǎo)體測試機(jī)的技術(shù)核心在于功能集成、精度與速度、降低成本與可擴(kuò)展性。在泰瑞達(dá)看來，測試解決方案要有足夠好的靜態(tài)精度及穩(wěn)壓能力，同時(shí)在邊界情況下獲得更好的魯棒性來幫助降低失效的概率；盡可能簡化外圍電路的設(shè)計(jì)，降低運(yùn)營方面的損失，側(cè)面降低測試成本；最后加入警報(bào)機(jī)制來提前預(yù)判，避免發(fā)生異常情況。

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