Como todos sabemos, encontrar soluções de gestão térmica está a tornar-se uma questão cada vez mais crítica, mas também cada vez mais difícil, para a indústria dos semicondutores, à medida que a densidade de potência aumenta e a estrutura de embalagem dos semicondutores se torna mais complexa. A dissipação térmica é frequentemente uma grande preocupação à medida que a densidade de potência dos dispositivos semicondutores aumenta e a temperatura da junção sobe, o que pode afetar negativamente o desempenho e a fiabilidade do dispositivo semicondutor.
São necessárias ferramentas e capacidades eficazes para desenvolver soluções de gestão térmica que garantam que o desempenho dos dispositivos semicondutores não seja afetado negativamente por um mau desempenho térmico. Tanto a simulação por computador como os ensaios térmicos físicos desempenham papéis importantes.
A simulação por computador podeavaliar diferentes opções de design, efetuar análises de sensibilidade e ajudar o designer a selecionar a melhor solução entre essas múltiplas opções - sem ter de construir protótipos reais. Isto é muito útil no desenvolvimento inicial de um novo produto (como um dispositivo semicondutor) e ajuda muito a acelerar o desenvolvimento do produto. As vantagens da simulação por computador são óbvias e, por esta razão, a simulação por computador tem sido amplamente utilizada como ferramenta no desenvolvimento de produtos para dispositivos semicondutores ao longo dos anos.
No entanto, isto não quer dizer que a simulação por computador possa substituir completamente as medições e os ensaios físicos, porque a simulação por computador sofre normalmente de várias limitações muito significativas. Para começar, a modelação por computador precisa sempre de fazer um certo número de suposições - relativamente às condições de fronteira, às condições ambientais, às propriedades dos materiais, etc. Muitas vezes, é necessário efetuar simplificações para uma estrutura complexa - especialmente à medida que a estrutura de embalagem dos semicondutores se torna mais complexa. A integração heterogénea torna estas questões ainda mais difíceis, uma vez que uma grande variedade de materiais, interligações e interfaces estão frequentemente envolvidos num único pacote - todos elementos muito importantes no ecossistema local para o desempenho térmico do pacote de semicondutores.
Além disso, a modelação por computador lida frequentemente com um problema estático, enquanto o problema real é sempre dinâmico. Por exemplo, as propriedades dos materiais, como os materiais da interface térmica (TIMs), podem variar e mudar ao longo do tempo sob condições ambientais. O extravasamento pode ocorrer sob carga térmica e mecânica. Muitas vezes é difícil para a simulação computacional considerar com precisão todas estas variações. Existe também uma não uniformidade nos vários elementos da estrutura - no chip, no dissipador de calor, no TIM, etc., e é difícil ter em conta com exatidão todas estas condições não uniformes da vida real na simulação informática.
Muito importante, a interface entre os vários elementos e materiais (como a matriz, o TIM e o dissipador de calor) na estrutura da embalagem desempenha um papel significativo na dissipação de calor, mas é bastante difícil de caraterizar com precisão em termos de resistência térmica, e a modelação por computador precisa frequentemente de fazer simplificações nestas estruturas de embalagem complexas. Os dispositivos semicondutores funcionais da vida real são também muito dinâmicos em termos dos seus comportamentos térmicos, especialmente quando existem efeitos interactivos, por exemplo, entre as propriedades dos materiais e a temperatura do dispositivo que as propriedades do material afectam diretamente.
Na vida real, os modos de falha e os mecanismos de degradação do desempenho são muitas vezes complexos, e a modelação informática centra-se normalmente em alguns modos de falha conhecidos. Os modos de falha imprevistos para um determinado pacote de semicondutores podem, por vezes, representar riscos significativos. Como tal, é sempre necessário efetuar ensaios físicos para validação.
Naturalmente, as medições e os ensaios térmicos têm os seus próprios desafios - especialmente quando os ensaios têm de ser efectuados antes de o dispositivo semicondutor real ter sido desenvolvido e fabricado - o que pode demorar vários anos. A prática da indústria tem sido desenvolver soluções de gestão térmica - que requerem medições e ensaios térmicos - à medida que o chip é desenvolvido. Os chips de teste térmico (TTC) e os veículos de teste térmico (TTV) desempenham papéis importantes neste ambiente simultâneo (Figuras 1 e 2).
Os TTC devem ser capazes de se aproximar da distribuição da potência de entrada e da densidade de potência do chip (tipicamente não uniforme) e, simultaneamente, detetar com precisão a distribuição da temperatura (utilizando sensores integrados) em toda a matriz (com resolução até 1mmx1mm), em tempo real.
Curiosamente, como os TTCs são tão pequenos como 1mm2, podem ser muito úteis para simular o desempenho térmico de chiplets para dispositivos avançados de semicondutores.
Os TTVs, que consistem num(s) TTC(s) embalado(s), devem ser configurados para representar a estrutura de embalagem pretendida, e construídos e fabricados utilizando os TIMs, dissipadores de calor e outros componentes reais que podem afetar a dissipação de calor e o desempenho térmico de todo o sistema. As normas da indústria, como as normas da série JEDEC JESD51, devem ser rigorosamente observadas para comparação de soluções alternativas de gestão térmica. Os TTVs também podem ser construídos para uma aplicação específica com a estrutura real do pacote - que é frequentemente diferente (e mais complexa) das estruturas de pacote definidas na norma. Como tal, os TTVs podem ter muitas variedades específicas (Figura 3).
As placas de carga térmica (TLB) são ferramentas de conceção de gestão térmica ao nível do sistema para a conceção simultânea dos aspectos mecânicos, eléctricos e térmicos dos sistemas electrónicos (Figura 5). A TLB é normalmente concebida à medida para proporcionar uma simulação física próxima das condições reais de carga térmica, utilizando simuladores de fontes de calor (HSS) resistivos e TTC.
Estas ferramentas são muito úteis para caraterizar o desempenho térmico de dispositivos e pacotes de semicondutores. Utilizando os TTC e os TTV, e efectuando medições e ensaios térmicos em ambientes reais (tais como a entrada de energia, as condições ambientais, o fluxo de ar, etc.), a distribuição espacial e temporal da temperatura (incluindo pontos quentes) sobre o chip pode ser caracterizada, o desempenho térmico de todo o pacote pode ser avaliado, os vários modelos de pacotes, TIM, dissipadores de calor, etc., podem ser avaliados e a modelação informática pode ser calibrada e validada.
Em geral, o nosso objetivo no desenvolvimento de produtos para dispositivos semicondutores é ter uma "conceção óptima" - não uma conceção excessiva (que afecta o custo, o tamanho, o peso e o TTM), nem uma conceção insuficiente (que afecta a fiabilidade e o desempenho do produto). A única forma de o conseguir é através da utilização eficaz da simulação por computador ("gémeo digital") em conjunto com medições e ensaios térmicos - utilizando a "simulação física" ("gémeo físico").
Para mais informações, contactar o Dr. Dongkai Shangguan.
