Wie wir alle wissen, wird die Suche nach Lösungen für das Wärmemanagement zu einem immer wichtigeren, aber auch schwierigeren Thema für die Halbleiterindustrie, da die Leistungsdichte zunimmt und die Struktur der Halbleitergehäuse immer komplexer wird. Die Wärmeableitung ist oft ein großes Problem, da die Leistungsdichte der Halbleiterbauteile zunimmt und die Sperrschichttemperatur ansteigt, was sich negativ auf die Leistung und Zuverlässigkeit des Halbleiterbauteils auswirken kann.
Für die Entwicklung von Lösungen für das Wärmemanagement werden wirksame Werkzeuge und Fähigkeiten benötigt, um sicherzustellen, dass die Leistung der Halbleiterbauelemente nicht durch ein schlechtes thermisches Verhalten beeinträchtigt wird. Sowohl die Computersimulation als auch die physikalische Wärmeprüfung spielen eine wichtige Rolle.
Die Computersimulation kannverschiedene Entwurfsoptionen bewerten, Sensitivitätsanalysen durchführen und dem Konstrukteur dabei helfen, die beste Lösung aus diesen verschiedenen Optionen auszuwählen - ohne dass tatsächliche Prototypen gebaut werden müssen. Dies ist in der Frühphase der Entwicklung eines neuen Produkts (z. B. eines Halbleiterbauteils) sehr nützlich und trägt erheblich zur Beschleunigung der Produktentwicklung bei. Die Vorteile der Computersimulation liegen auf der Hand, und aus diesem Grund hat sich die Computersimulation im Laufe der Jahre als Instrument in der Produktentwicklung von Halbleiterbauelementen weithin durchgesetzt.
Das soll jedoch nicht heißen, dass die Computersimulation physikalische Messungen und Tests vollständig ersetzen kann, denn die Computersimulation leidet in der Regel unter mehreren sehr bedeutenden Einschränkungen. Zunächst einmal müssen bei der Computermodellierung immer eine Reihe von Annahmen getroffen werden - in Bezug auf die Randbedingungen, die Umgebungsbedingungen, die Materialeigenschaften usw. Oft müssen für eine komplexe Struktur Vereinfachungen vorgenommen werden - vor allem, wenn die Struktur des Halbleitergehäuses immer komplexer wird. Die heterogene Integration macht diese Fragen noch schwieriger, da in einem einzigen Gehäuse oft eine Vielzahl von Materialien, Verbindungen und Schnittstellen beteiligt sind - alles sehr wichtige Elemente im lokalen Ökosystem für die thermische Leistung des Halbleitergehäuses.
Außerdem befasst sich die Computermodellierung oft mit einem statischen Problem, während das reale Problem immer ein dynamisches ist. Beispielsweise können die Materialeigenschaften, wie die thermischen Grenzflächenmaterialien (TIMs), variieren und sich im Laufe der Zeit unter den Umgebungsbedingungen verändern. Bei thermischer und mechanischer Belastung kann es zum Auspumpen kommen. Für die Computersimulation ist es oft schwierig, all diese Veränderungen genau zu berücksichtigen. Auch die verschiedenen Elemente der Struktur - Chip, Kühlkörper, TIM usw. - sind ungleichmäßig, und es ist schwierig, all diese ungleichmäßigen Bedingungen im wirklichen Leben in der Computersimulation genau zu berücksichtigen.
Besonders wichtig ist, dass die Schnittstelle zwischen den verschiedenen Elementen und Materialien (z. B. Die, TIM und Kühlkörper) in der Gehäusestruktur eine wichtige Rolle bei der Wärmeableitung spielt, aber in Bezug auf den Wärmewiderstand recht schwierig genau zu charakterisieren ist, und bei der Computermodellierung müssen bei diesen komplexen Gehäusestrukturen oft Vereinfachungen vorgenommen werden. Funktionale Halbleiterbauelemente sind auch in ihrem thermischen Verhalten sehr dynamisch, vor allem, wenn es Wechselwirkungen gibt, z. B. zwischen den Materialeigenschaften und der Temperatur des Bauelements, die von den Materialeigenschaften direkt beeinflusst werden; diese dynamischen und interaktiven Phänomene können bei der Computermodellierung nur schwer genau erfasst werden.
Im wirklichen Leben sind die Ausfallarten und Mechanismen der Leistungsminderung oft komplex, und die Computermodellierung konzentriert sich in der Regel auf einige wenige bekannte Ausfallarten. Unvorhergesehene Ausfallarten für ein bestimmtes Halbleitergehäuse können manchmal erhebliche Risiken darstellen. Daher sind zur Validierung immer physische Tests erforderlich.
Natürlich sind thermische Messungen und Tests mit eigenen Herausforderungen verbunden - vor allem dann, wenn die Tests durchgeführt werden müssen, bevor das eigentliche Halbleiterbauelement entwickelt und hergestellt wurde, was mehrere Jahre dauern kann. In der Branche ist es üblich, Wärmemanagementlösungen - die thermische Messungen und Tests erfordern - bereits während der Entwicklung des Chips zu entwickeln. Thermische Testchips (TTC) und thermische Testfahrzeuge (TTV) spielen in dieser gleichzeitigen Umgebung eine wichtige Rolle (Abbildungen 1 und 2).
Die TTCs müssen in der Lage sein, die Leistungsaufnahme und die Leistungsdichteverteilung des Chips (in der Regel ungleichmäßig) genau zu erfassen und gleichzeitig die Temperaturverteilung (mit Hilfe integrierter Sensoren) über den gesamten Chip (mit einer Auflösung von bis zu 1mmx1mm) in Echtzeit zu messen.
Da die TTCs nur 1 mm2 groß sind, können sie sehr nützlich für die Simulation der thermischen Leistung von Chiplets für moderne Halbleiterbauelemente sein.
Die TTVs, die aus einem oder mehreren verpackten TTCs bestehen, müssen so konfiguriert sein, dass sie die vorgesehene Gehäusestruktur repräsentieren, und sie müssen mit den tatsächlichen TIMs, Kühlkörpern und anderen realen Komponenten konstruiert und hergestellt werden, die die Wärmeableitung und thermische Leistung des gesamten Systems beeinflussen können. Für den Vergleich alternativer Wärmemanagementlösungen müssen Industriestandards wie die JEDEC-Normen der JESD51-Serie strikt eingehalten werden. TTVs können auch für eine spezifische Anwendung mit der realen Gehäusestruktur konstruiert werden - die sich oft von den in der Norm definierten Gehäusestrukturen unterscheidet (und komplexer ist). Daher können TTVs viele spezifische Varianten haben (Abbildung 3).
Thermal Load Boards (TLB) sind Entwurfswerkzeuge für das Wärmemanagement auf Systemebene zur gleichzeitigen Entwicklung der mechanischen, elektrischen und thermischen Aspekte elektronischer Systeme (Abbildung 5). Die TLB wird in der Regel kundenspezifisch entwickelt, um eine genaue physikalische Simulation der tatsächlichen thermischen Lastbedingungen mit Hilfe von Widerstands- und TTC-Wärmequellensimulatoren (HSS) zu ermöglichen.
Diese Werkzeuge sind sehr nützlich für die Charakterisierung der thermischen Leistung von Halbleiterbauelementen und -gehäusen. Mithilfe der TTCs und TTVs und durch thermische Messungen und Tests in realen Umgebungen (z. B. Leistungsaufnahme, Umgebungsbedingungen, Luftströmung usw.) kann die räumliche und zeitliche Temperaturverteilung (einschließlich Hotspots) auf dem Chip charakterisiert, die thermische Leistung des gesamten Gehäuses beurteilt, die verschiedenen Gehäusedesigns, TIMs, Kühlkörper usw. bewertet und die Computermodellierung kalibriert und validiert werden.
Insgesamt besteht unser Ziel bei der Produktentwicklung von Halbleiterbauelementen darin, ein "optimales Design" zu erreichen - kein Überdesign (das sich auf Kosten, Größe, Gewicht und TTM auswirkt) und kein Unterdesign (das sich auf Zuverlässigkeit und Produktleistung auswirkt). Der einzige Weg dorthin führt über den effektiven Einsatz von Computersimulationen ("digitaler Zwilling") in Verbindung mit thermischen Messungen und Tests - unter Verwendung der "physikalischen Simulation" ("physikalischer Zwilling").
Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Dr.Dongkai Shangguan.
