结论:高功耗AI芯片的可靠性试验,散热不是外围配套,而是试验能力本身。只有每颗芯片在不同运算模式下接面温度(Tj,芯片内部PN结附近的温度)稳定、可测、可复现,抽样得到的寿命与故障机率数据才有意义。AI芯片散热方案、温度监控与治具设计,需要和试验方案同步规划。
散热能力决定数据能不能用
可靠性试验通过抽样芯片推算整个母体的生命周期与故障机率。公开资料给出的典型例子是77颗芯片同测1000小时;当单颗功耗达到数百瓦,系统总热负荷会升到上万瓦。此时试验系统的热消散和热平衡能力,直接决定芯片能否维持稳定Tj。
温度忽高忽低,失效机理和寿命消耗都会变。Tj无法稳定,老化数据就难以比较,更难以外推到实际使用。散热设计因此要进入试验方案的前置环节,而不是等治具做好后再补。
三类热与电的耦合挑战
高功耗云端芯片
云端AI芯片单颗耗电可超过200W,且需要长期连续运行。高结温会加快老化,可靠性风险需要审慎评估。多颗同测时,设备要同时处理总热负荷和单颗芯片之间的温度差异,不能只看平均温度。
异质封装
异质整合把不同工艺的芯片并排或堆栈在同一封装内,以提升互连带宽并降低耗电。热产生与消散路径随之复杂:大功耗芯片未必在封装中心,各die厚度也可能不同。传统封装常用的温度感测方式,未必能反映每颗芯片的真实结温。
终端低功耗AI芯片
终端AI芯片包括ASIC、SoC,用于手机智能助理、无人机、ADAS等电池供电设备。为兼顾效能与功耗,低工作电压、多工作电压和多闸极电压设计很常见。多组电源同时测试会增加设备电源数目压力;低电压大电流走线又容易带来IR drop(走线电阻造成的电压降)与Ripple(电源纹波),使硬件设计与测试更困难。
让温度控得住、测得到、贴得紧
高功耗芯片的散热侧,传统空气冷却难以有效应对。液态冷却系统配合客制化液态循环socket,利用液态热交换速率优于气态的特点,并通过实时监控芯片温度、调节流速来维持热平衡。散热能力足够,温度波动才不会快到试验系统来不及响应。
监控侧,IC内建热二极管时,可客制化热二极管监控电路量测接面温度,反应速度快。对3D封装的多晶片结构,还能分别独立量测各芯片温度,避免用单点温度代表整颗封装。
治具侧,异质封装内裸晶高低不同,需依芯片客制化IC socket、散热系统与热感测部件,让治具紧密贴合不同高度的裸晶。贴合不良会抬高界面热阻,温度量测也会失真。
板级侧,可采用Burn in module设计,把电路板从一板多颗微缩为单颗测试。设计初期用布线辅助工具仿真,改善工作电压、讯号源的IR drop与电源层阻抗问题,避免板子生产组装后才发现效能不符。
结果判断与工程建议
判断数据是否可用,先看各芯片在执行不同运算模式时Tj是否稳定,再看多晶片结构下各die温度能否独立取得。两项不成立,寿命预估的可信度就要打折。若系统散热与热平衡能力不足,可能出现温度波动过快、热能来不及消散,甚至热失控等非预期失效。
规划终端AI芯片的HTOL(高温工作寿命)环境时,设备选型、PCB仿真与制作等环节通常要比一般逻辑IC更严谨。具体温度、电压和时长条件,应依芯片规格与试验目的确定,不宜直接套用其他产品的条件。