Thermal management is becoming an ever more critical challenge for semiconductor devices, as the functional density and power density increase – especially with advanced packaging. Thermal test chips (TTC) are a critical enabler for developing thermal management solutions for high-power semiconductor devices.
Wie werden TTCs hergestellt?
TTCs aus in Amerika hergestellten Siliziumwafern (Abbildung 1) können die Größe und die ungleichmäßige Leistungsverteilung (z. B. Hot Spots) eines realen Halbleiterchips genau simulieren und verfügen über eingebettete On-Chip-Sensoren zur Echtzeit-Temperaturmessung des Chips. Der TTC, ein analoger ASIC, besteht aus Einheitszellen (Abbildungen 2 und 3), wobei die Leistungsaufnahme und die Temperatur jeder Einheitszelledirekt adressierbar sind, so dass eine konfigurierbare Leistungsverteilung und eine In-situ-Temperaturmessung auf dem Chip möglich sind - bis hin zum Maßstab einer Einheitszelle.
Für die Wärmequelle in der Einheitszelle werden Metallfilmwiderstände verwendet, um eine bessere Gleichmäßigkeit und Anpassung über den Wafer zu erreichen, und ihre relativ stabilen Temperaturkoeffizienten führen zu einer konstanten Verlustleistung im Verlauf der thermischen Messung. Die Wärmequellen sind außerdem so ausgelegt, dass sie der JEDEC-Norm JESD51-4 entsprechen. Strategisch im TTC angeordnete Temperaturmessdioden (TSD) ermöglichen eine präzise Messung der Temperatur des Chips an mehreren Stellen gleichzeitig.
Da die Einheitszellen in beliebiger Kombination angeordnet werden können, kann der TTC beliebig groß sein, um der Größe des realen Chips zu entsprechen (bis zu 50 mm x 50 mm oder größer, falls erforderlich). Das TTC mit seiner Präzision und Genauigkeit der integrierten Heizelemente und Sensoren in jeder Einheitszelle kann das thermische Verhalten eines realen Halbleiterchips genau simulieren und bietet damit ein hervorragendes Werkzeug für die gleichzeitige Entwicklung von Wärmemanagementlösungen während der Entwicklung eines neuen Chips (was oft mehrere Jahre dauert).
Verwendung von thermischen Testchips für den Bau von Testfahrzeugen
Mit den TTCs (die für das Drahtbonden oder die Flip-Chip-Befestigung ausgelegt sind) können thermische Testfahrzeuge (TTV) in verschiedenen Gehäuseformaten wie BGA, LGA, COB usw. sowie mit mehreren Chips pro Gehäuse (Abbildung 4) entwickelt werden, um System-in-Package (SiP) zu simulieren, das häufig bei der heterogenen Integration verwendet wird.
Durch die Möglichkeit der konfigurierbaren Leistungsverteilung und der gleichzeitigen Temperaturmessung auf dem Chip können TTCs und TTVs sehr nützlich für die thermische Charakterisierung (stationär und instationär) und Bewertung sein, einschließlich der Abbildung von Leistung und/oder Temperatur bei Halbleitergehäusen und -geräten, die verschiedene Lösungen für das Wärmemanagement enthalten können - Wärmeschnittstellenmaterialien (TIM), Kühlkörper, Dampfkammer, Wärmerohr, Kühlplatte, Flüssigkeitskühlung usw. Sie können auch sehr nützlich für die Validierung von thermischen Simulationen und Modellen sein. Außerdem können Leistungszyklen in einer programmierten Umgebung durchgeführt werden, um die Zuverlässigkeit verschiedener Wärmemanagementlösungen zu bewerten.
Thermische Testchips für Glas-Interposer: Eine Fallstudie
Indeed, TTCs can also meet the needs of advanced packaging. In a recent research project, which was presented at the 2023 IEEE 73rd Electronic Components and Technology Conference (ECTC) in Orlando, FL, in a paper entitled “Bottom Side Cooling for Glass Interposer with Chip Embedding using Double-sided Release Process for 6G Wireless Applications”, researchers from Georgia Tech and Penn State University used TTCs from Thermal Engineering Associates (TEA) for the development of a die-embedded glass interposer process (Figure 5). In the glass interposer, through cavities are prepared in the glass substrate, and the TTC is embedded into the through cavity and connected via redistribution layers (RDL) in the topside. A copper heat spreader is attached to the exposed TTC backside using a TIM interface for thermal management. The embedded TTC power density is tested to see the cooling capacity with various heat transfer coefficients ranging between 28.8~261.3 W/m2K.
Insgesamt werden TTCs und TTVs in der Lage sein, Halbleiterchips und fortschrittliche Gehäuse in ihrer Entwicklung eng zu emulieren - mit zunehmender Leistungsdichte und komplexeren Gehäusekonfigurationen. TTCs in Form von gestapelten Chips und Chiplets in 2,5D/3D-Gehäusen befinden sich derzeit in der Entwicklung.
