Agilent 93000 SoC系列采用的液冷技术

1水冷测试系统的优点
不是电路的工作温度，由于厂影响着电路的性能，因此冷却系统保持温度稳定、且独立于气压和电路负载等环境因素和工作因素非常重要。这对电路的可重复性和稳定性具有直接意义，而电路的可重复性和稳定性则影响着DUT(被测芯片)的产出、半导体测试系统的测试可重复性和诊断功能。

冷却的效果和效率取决于散热设计、用来从芯片中传导热量的流体(液体或空气)属性以及散热器和冷却流体之间的热传导特点。每单位容量的冷却液的热容量发挥着重要作用。由于水的热容量要高得多，因此在实现较低的芯片工作温度及有效的稳定工作温度方面，水要优于空气。

在水冷测试系统中，液冷高压系统的温度直接由循环的液体控制。由于良好的芯片接触热阻，可以简便地使不保持在目标温度的1℃范围以内。例如，在Agilent 93000 SoC系列测试系统中，水循环经过的小型高压系统(参见)足以满足高性能插件和模拟仪器的冷却要求。在水温为30℃时，不可以保持在35℃±1℃，保证性能、可靠性、稳定性和可重复性。
相比之下，风冷系统的效率受到散热设计、空气流动的速度、方向和均匀性的限制。

2 液冷ATE的设计

2．1风冷的局限性
许多半导体测试设备制造商采用风冷技术，因为他们没有为要求液冷技术的高性能设计原始平台。随着半导体ATE系统的性能要求不断提高，迫使制造商选择要么转向可扩充的液冷结构，要么为低性能系统和高性能系统维护不同的结构。
如果其厂商为高性能系统和低性能系统提供不同的结构，ATE用户还必须承担由于缺乏扩充能力和性能灵活性而导致的风险。

2．2液冷技术的早期采用
早在十几年前，安捷伦科技就确定，液冷系统是半导体ATE系统的解决方案。安捷伦科技解决问题的方法是开发一个能够与集成电路生产工艺一起扩充的结构。这意味着安捷伦在制订决策前，考察了液冷结构的扩充能力、可靠性和拥有成本。现在，安捷伦正在为83000和93000系列测试系统开发第四代测试系统的测试电子器件板。安捷伦对液冷电子器件中的某些创新正在申请大量的。今天，安捷伦可以在一个可扩充的平台上，提供测试SoC设备所需的全系列性能。由于可以简便地提高安捷伦水冷系统的冷却能力，因此仍有充足
的发展空间，来处理针脚数量、接口速度和功能发展的进一步需求。

2．3水冷插件设计
冷却是设计ATE系统测试插件中不可分割的组成部分。对Agilent 93000SoC系列测试仪的插件，高压系统的设计必须保证适当数量的水通过每个器件，以吸收热量，提供该器件所需的稳定性流量。信道的截面、形状和通道必须保证流量平衡，而没有可能成为热区的漩涡或静止点。
安捷伦决定使用水限度地提高冷却效率，同时使成本达到。水具有环保性、无毒及取材方便等特点(安捷伦测试系统使用质量达到饮用标准的水，系统负责处理所有必需的调节)。由于缺乏防止其溢出的设计特性，某些其它制造商采用Flourinert(FC-77)作为冷却液。由于Flourinert的成本及其环境处理要求，这会引起很高的代价。安捷伦在ATE系统中使用液冷技术已有十多年的历史，其完善的防水设计和防溢出操作方法消除了测试系统中泄漏损坏的危险。目前世界各地使用的安捷伦水冷测试系统已经超过1，000台。

3 半导体ATE的冷却和实际成本
半导体ATE必须能够以相应的性能水平执行相应的测试，它必须可以重复地、一致地执行测试，重要的是，它必须能够可靠地执行测试。

3．1液冷技术降低了测试成本
冷却技术以三种方式影响测试系统的性能。

缩小形状 液冷技术有助于确定元器件密度、工作速度和针脚电子器件的。冷却效率越高，实现的元器件密度越高，这可以降低测试系统内部的传播时延，消除到被测芯片(DUT)的长通道中固有的失真。冷却效率还决定着设备在测试系统中的可用性能。通过保证工作条件变化及工作环境变化不会导致工作温度(了，)发生明显变化，冷却效率还影响着。
改进稳定性 液冷技术还具有保证可重复性的热容量。在当前皮秒级的上，当温度自上次校准变化1度以上时，通常要求重新进行校准。由于安捷伦测试系统中的温度保持在这一极限内，因此不需要停止生产，以重新校准ATE。所有这些都有助于限度地提高测试时间和吞吐量。
改进可靠性 冷却结构重要的影响是对测试系统可靠性的影响。根据FIT(10'个芯片工作小时的故障)比率，可以预测半导体芯片的平均故障间隔时间(MTTF)。芯片状态稳定的工作温度对芯片的FIT比率有着重大影响。
通过使用FIT比率分析，我们发现，在90℃的工作温度下，CMOSASIC的MTTF是40年。在500个ASIC的系统中，系统的MTBF (平均故障间隔时间)大约是一个月(40年／500)。因此，我们可以预计在一台有500个芯片的系统中，每个月会有一台系统发生故障。鉴于每个ASIC工作温度和MTTF之间的关系，系统的工作温度每下降10℃，系统的MTBF大约翻一番。如果测试系统的冷却系统可以使工作温度降低到40~C，系统的MTBF可以提高到32个月。
安捷伦的液冷结构直接提升了测试系统的可靠性，降低了维护和修理成本，明显提高了可用性。由于测试是生产工艺中的瓶颈，测试仪中断时间的任何下降都对生产效率和制造成本具有积极影响。

3．2液冷节约的其它成本
液冷测试电路板实现了风冷系统中不能实现的器件密度。其结果，降低了测试仪的空间，使要求的地板空间降低了3倍或4倍(这对专用测试系统及空间成本非常高的无尘室尤为重要)。紧凑型测试系统还降低了对基础设施的需求。小型测试头的额定功率较低，要求的操纵设备较小(运行成本和折旧费用较低)。

3．3液冷技术保护了测试投资
通过使运营成本达到、使测试系统吞吐量达到(通过高性能和可靠性)，液冷技术在降低测试总成本中发挥着重要作用。尽管风冷结构能够支持300～500MHz范围内的信号速度，但对更快的测试速度，必须改变冷却战略。
由于安捷伦对全系列针脚电子器件采用液冷技术，因此可以在一个测试头中混合提供性能及性能，保护客户的测试投资。液冷技术还延长了现有插件的使用寿命，因为它们可以用于速度较低的针脚及性能更高的插件，逐针脚匹配DUT。从这个意义上说，液冷技术是安捷伦可扩充的单一平台的重要基础。说明了93000针脚电子器件的共同形状和结构。93000液冷结构使这种公共结构和形状成为可能。

可以在同一个测试系统中并排使用500 MHzCe型和2 GHzP型测试插件，而不存在任何问题（）。

4 结论
随着功率密度提高，冷却效率成为半导体ATE设计中一个日益重要的因素，以保证其满足性能、可重复性、可靠性和运行成本要求。液冷技术有效地解决了这些挑战。
尽管风冷测试系统的前期设计和开发成本要低于液冷测试系统，但在考虑系统运行成本、可靠性和性能时，风冷系统的成本要明显高于液冷系统。Agilent 93000SoC系列可扩充的液冷结构通过降低运行成本，改善吞吐量，降低了测试成本。

液冷通过下述方式降低了运行成本：

●使配置灵活性达到

●改善MTBF

●提高可用性

●降低基础设施成本 液冷通过下述方式改善了吞吐量：

●提高了测试系统电子器件的性能和

●为SoC测试提供优化配置，提高并行测试的程度
安捷伦科技在开发液冷测试设备中拥有强大的背景和实地经验。