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ATE Load Board的叠层设计

时间:2021-07-15 17:52来源:Jian的ATE学习手记 作者:Jian 点击:
    今天来聊聊关于ATE loadboard的设计,就是ATE Load Board设计中的叠层问题。可能很多做ATE测试的同学们都没太注意过这个问题。但是叠层设计确实是关系到Load Board性能的一个关键因素。


上图是一个很常见的ATE Load Board的叠层。靠近DUT Side和Tester Side,依次向内排列Signal层,走信号。正中间的层用来走power plane。通常Signal层会设置为一样的铜厚,常见的是0.5oz。Power层会设置为一样的铜厚,常见的是1oz或2oz。
 
这样做叠层对称,易于加工,用久了也不易发生翘曲。有时候一块Load board用着好好的,过了几年忽然发现Open Short不过了,检查下来发现是tester pogo的位置接触不上了。很大的可能就是板子发生了翘曲。当叠层不对称,板子应力不均衡,就更容易导致翘曲的产生。所以在设计时,尽量保证叠层对称,有利于板子延年益寿。
 
但现在逐渐有些设计的叠层变成这样了:


电源跑到叠层的两头,中间走信号了。
 
通常这样的叠层是为了给低电压大电流芯片的用的。有两个目的:1.保证信号质量。2.保证可加工性。
 
还是先说可加工性。上图的叠层,大电流的主电源铺整层靠近DUT端。对称的靠近Tester side端,分配了小电源PWR1和PWR2,也是以分割平面的方式铺。所有的Power层都采用同样的铜厚。所有的信号层也都采用同样的铜厚。所以总体看,叠层仍然是对称的。
 
保证信号质量方面,主要是保证了电源完整性,也就是我们常说的PI。为什么说这样设计叠层,PI会好呢?那要先从电感和电容说起。
 
当电流流过导体时,就会产生电感。而不是初中物理学的,只有线圈才能产生电感。因为当电流流过导体时,会在导体周围产生磁场,电感的定义是:L=N/I,其中N是磁力线的数量,I是流经导体的电流大小。可见,电感只跟磁力线的数量,和电流大小有关,跟是否是线圈没有必然联系。
 
可是为什么我们提起做电感,就是要绕线圈呢?其实我们不过是利用了平行导体之间互感相互增强的原理,既省材料又省地方地制造值尽量大的电感而已。
 
再回到之前的话题,既然只要有电流流过导体,就会产生电感,那么Load Board中,电源、地的过孔,就可以看做一根根小电感。并且ATE Load Board板厚比一般的EVB板要厚很多,通常是4-5mm厚,甚至可以达到6.35mm的厚度。这么长的过孔,产生的寄生电感可以达到几nH的量级。
 
电压不同的两个导体之间会形成电容。所以平行的Power平面和GND平面之间也会形成电容,如果是整层平面的话,大约有几十nF。

从上面这张图可以看出来,我们在做Placement时,即使把退耦电容放在BGA的正下方,但是信号还是要经过很长的过孔。长过孔上寄生电感的存在,会导致电源的带宽降低。简单画个图来说就是下面这样的:

我们希望有个完美的Power Impedance,在整个频率范围内都有很低的阻抗。实际上在整个电源通路内(ATE LB以及Socket),会有很多电容电感。即使把这些电容电感都当做理想的,我们会发现,在高频段,电感会抵消电容的作用,使Power Impedance变大。回忆一下高中物理课的知识:越大的电感,在高频段阻抗越高,越小的电感,在高频段阻抗越低。
 
所以我们希望从电源平面,到DUT Pin的这一段过孔尽量短,这样过孔所带来的寄生电感也尽量小。从而尽可能地使电源阻抗不要在高频段变得太高。
 
其实我自己更喜欢把电容比作水库,把电感比作水渠,把工作起来的DUT当做时时刻刻在用水的城市。我们当然希望城市附近有个水库,而不希望喝口水还得南水北调。水还在路上,人都渴死了。换到ATE Load Board上来说,就是,电荷还在过孔里呢,芯片都挂了。
 
ATE Load board天然在电源方面比不上应用板。不仅仅由于板子厚。而且相对于应用板和系统板,DPS距离DUT实在是太远了。远距离输送再怎么样也比不上附近就可以安排电源芯片。其实从倒数第二张图还可以发现一个问题。即,ATE是一定要用socket的。Socket针有几mm长,这部分电感后面,是没办法再加电容了。
 
好在ATE测试中,芯片工作状态和实际应用中的状态不同。可以请DFT工程师适当评估at-speed pattern所需的电流。避免产生Load Board性能之外的要求。

 

好了,说了这么多我究竟说了什么呢?总结一下:
  1. 叠层要对称,便于加工,避免翘曲。

  2. 低电压大功率芯片的电源叠层要靠近DUT。


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