基于双向主动温控与相变均热的芯片动态老化测试方法与流程

本发明属于芯片可靠性测试，具体涉及基于双向主动温控与相变均热的芯片动态老化测试方法。

背景技术：

1、集成电路可靠性测试是保障芯片量产质量的关键环节，其中动态老化测试通过向芯片施加动态测试向量模拟实际工作场景，加速暴露潜在缺陷。与传统静态老化测试相比，动态老化测试能更有效地激活芯片内部节点，但芯片在不同测试向量（如mbist、scan、function）间切换时功耗剧烈波动，对温度控制提出了严峻挑战。

2、现有芯片老化测试温控技术主要分为两类。第一类为被动温控，依赖芯片自身发热与环境自然散热，无法应对低功耗模式下的温度不足或高功耗模式下的过热问题，温控范围受限。第二类为主动温控，采用加热棒或陶瓷片进行外部加热，配合风冷或水冷散热，通过pid算法调节执行器的加热功率或风扇转速。然而，现有主动温控多为加热与散热的独立切换控制，二者缺乏协同，在功耗跳变时易产生振荡和超调；且散热侧多采用单纯风冷或液冷，未充分利用相变工质汽化-冷凝的高潜热传热特性，面内热扩散效率低，难以平衡芯片局部热点与均温需求。虽然均热板（vapor chamber）等相变散热技术在消费电子散热中已有应用，但尚未集成至老化测试夹具中并与双向主动温控算法联动。

3、在控制算法层面，现有方案多采用传统pid反馈控制，依赖温度偏差进行滞后调节，对动态老化测试中测试向量切换导致的确定性功耗跳变缺乏前馈预判能力；部分方案虽引入温度预测模型，但预测模型未考虑相变均热结构的热惯性滞后，参数整定易受向量切换扰动影响，稳态精度与动态响应难以兼顾。

4、在系统架构层面，现有老化测试设备多采用单控制器集中处理通信、向量生成与温控任务，向量切换事件与温控响应之间缺乏同步机制，导致温控指令滞后于功耗变化，调节时间长，温度超调量大，难以满足±1℃的高精度温控要求。

5、综上所述，现有技术缺乏针对动态老化测试场景的系统性解决方案，亟需一种将双向主动温控、相变均热散热与功耗跳变前馈预判相融合的芯片动态老化测试方法。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了基于双向主动温控与相变均热的芯片动态老化测试方法，本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

2、基于双向主动温控与相变均热的芯片动态老化测试方法，包括：

3、获取待测芯片当前及即将执行的测试向量类型，建立测试向量类型与功耗特征值的映射关系，并根据所述映射关系预判即将发生的功耗跳变，在功耗跳变发生前预加载与该功耗跳变匹配的双向温控初始参数；

4、采集待测芯片的实时温度，建立温度偏差序列和历史温度变化趋势序列，并采用热惯量补偿预测模型计算未来时刻的预测温度值及预测温度变化速率；

5、根据当前温度偏差、预测温度值及预测温度变化速率，并结合预加载的双向温控初始参数，生成双向主动温控指令；所述双向主动温控是指：当需要升温时，同时增加加热功率并降低相变均热散热器的散热能力；当需要降温时，同时降低加热功率并提高散热能力；

6、监测温度变化速率，当超过预设阈值时激活过冲抑制，在温控指令中叠加反向补偿量；

7、从历史温控响应中提取同一测试向量类型下的稳态片段，根据所述稳态片段的超调量、调节时间和稳态误差，在线修正所述热惯量补偿预测模型的参数、预设阈值以及温控指令的增益系数。

8、作为本发明的一种优选技术方案，采用三核fpga分布式控制架构执行所述方法；所述三核fpga分布式控制架构包括：

9、第一fpga，作为主控fpga，通过网口与上位机通信，负责测试任务调度、上位机指令分发、以及温度数据与测试向量的汇聚；

10、第二fpga，作为向量fpga，负责动态测试向量的产生、向待测芯片施加测试向量、比对输出响应、以及在向量切换前向温控fpga发送预通知信号；

11、第三fpga，作为温控fpga，独立执行温度采集、温度偏差序列与历史温度变化趋势序列的建立、热惯量补偿预测模型的计算、双向主动温控指令的生成、过冲抑制的判断及反向补偿量的叠加、以及控制参数的在线修正。

12、具体地，所述温控fpga内部存储有测试向量类型与功耗特征值的映射关系表；所述温控fpga在接收到预通知信号后，根据所述预通知信号中携带的即将执行的测试向量类型，查询所述映射关系表获得对应的功耗特征值，并在功耗跳变实际发生前，根据所述功耗特征值完成双向温控初始参数的预加载；所述双向温控初始参数包括加热功率基准值、散热能力基准值、比例积分微分控制器的积分项初值中的至少一种。

13、具体地，所述相变均热散热器包括：封装有相变工质的铜基板蒸发区、与蒸发区连通的蒸汽扩散通道、位于蒸汽扩散通道末端的冷凝区、以及附着于冷凝区外壁的铝挤型散热齿；所述散热能力通过调节安装于所述铝挤型散热齿上的风冷风扇的pwm占空比进行控制，改变相变工质在冷凝区的冷凝速率，进而调节蒸发区与冷凝区之间的蒸汽压差及工质回流速率。

14、具体地，所述热惯量补偿预测模型采用线性回归模型、卡尔曼滤波模型或神经网络模型；所述热惯量补偿预测模型在计算预测温度值时，将历史温度变化趋势序列中的温度变化速率作为趋势项、温度变化加速度作为加速度项，并引入与加速度项相关的热惯量补偿项，将趋势项、加速度项及热惯量补偿项的组合值作为预测输出。

15、具体地，所述反向补偿量的参数与温度变化速率偏离预设阈值的偏离量相关联，且所述反向补偿量的方向与当前双向主动温控的调节方向相反；在升温模式下所述反向补偿量为临时散热增强量，在降温模式下所述反向补偿量为临时加热增强量。

16、具体地，所述在线修正包括：从历史温控响应中提取与当前测试向量类型相同的稳态温度响应片段；根据所述稳态温度响应片段中的实际超调量、调节时间和稳态误差，采用最小二乘法、梯度下降法或递推最小二乘法，计算所述热惯量补偿预测模型的模型参数修正量、预设阈值的修正量以及温控指令的增益系数的修正量；将修正量叠加至当前参数值，更新所述热惯量补偿预测模型、预设阈值以及增益系数。

17、具体地，所述预设阈值根据当前执行的测试向量类型动态调整：为不同类型的测试向量分别设置独立的第一斜率阈值和第二斜率阈值；当检测到测试向量类型切换时，自动将所述预设阈值切换为与新测试向量类型对应的阈值。

18、具体地，所述映射关系记录各测试向量类型对应的稳态功耗范围、典型功耗跳变幅度以及功耗跳变持续时间；针对不同测试向量类型，分别设置独立的温控指令增益系数、独立的预设阈值和独立的热惯量补偿预测模型参数集。

19、具体地，所述预加载的双向温控初始参数包括：根据功耗跳变幅度确定的加热功率前馈值、根据功耗跳变幅度确定的散热能力前馈值、以及比例积分微分控制器的积分项预置值；其中，加热功率前馈值与功耗跳变幅度正相关，散热能力前馈值与功耗跳变幅度正相关。

20、具体地，所述稳态片段的判定方式为：在同一测试向量类型的连续运行过程中，以当前采样时刻为终点，向前取连续的n个采样周期，n≥3；计算所述n个采样周期内温度值的最大值与最小值的差值；当所述差值持续小于预设稳定门限且持续时间达到m个采样周期时，m≥2，将该时间段判定为稳态片段。

21、具体地，还包括：同时采集环境温度；将当前环境温度与标准环境温度的差值作为环境偏差量，将所述环境偏差量乘以预设的环境补偿系数后，叠加至所述热惯量补偿预测模型的基准输出值上。

22、本发明的有益效果为：

23、提升功耗跳变场景下的温度响应速度与稳态精度：本发明通过获取当前及即将执行的测试向量类型，建立测试向量与功耗特征值的映射关系，在功耗跳变实际发生前预加载双向温控初始参数，实现了从“事后反馈”到“事前前馈”的控制模式革新。结合热惯量补偿预测模型，利用历史温度变化趋势（速率与加速度）提前计算未来温度变化，进一步减少反馈滞后。实验数据表明，在200w cpu动态老化测试中，温度控制误差可稳定在±1℃以内，温度超调量仅1.2℃，调节时间最快可达80ms，远优于传统pid反馈控制的性能指标。

24、实现加热与散热的双向主动协同控制：本发明采用双向主动温控架构，在需要升温时同步增加加热功率并降低相变均热散热器的散热能力，在需要降温时同步降低加热功率并提高散热能力。该协同机制避免了传统方案中加热与散热独立切换导致的控制振荡和能量浪费，使得温控过程更加平滑、高效，尤其适应芯片功耗在数十瓦至数百瓦之间剧烈跳变的动态老化场景。

25、利用相变均热技术大幅提升散热效率与面内均温性能：本发明将相变均热散热器集成至老化测试夹具中，通过封装于铜基板内的相变工质实现蒸发冷凝循环，利用工质汽化潜热带走局部高热流密度，并经冷凝区风冷将热量散出。该结构的面内等效导热系数较同尺寸实心铜提高一个数量级以上，能够快速铺展芯片热点、消除局部温差，为双向主动温控提供了高可控性的散热能力基础。

26、三核fpga分布式控制架构保障温控实时性与独立性：本发明采用主控fpga、向量fpga和温控fpga三核分布式架构。温控fpga独立运行温度采集、预测计算、指令生成及过冲抑制等闭环控制任务，向量切换预通知通过专用信号线提前发送至温控fpga，使得温控环路的执行不受向量切换中断的影响，确保了高精度温控的实时性与确定性。

27、基于测试向量类型的自适应参数整定：本发明从历史温控响应中提取同一测试向量类型下的稳态片段，仅依据系统自身响应特性（超调量、调节时间、稳态误差）在线修正预测模型参数、阈值及增益系数，而排除功耗跳变扰动的影响。该机制使控制参数能够自动适配不同测试向量的热特性，提高了方法对不同芯片、不同老化程序的通用性。