Das Wärmemanagement wird für Halbleiterbauelemente zu einer immer größeren Herausforderung, da die Funktionsdichte und die Leistungsdichte zunehmen – insbesondere bei fortschrittlichen Gehäusetechnologien. Thermische Testchips (TTC) sind ein entscheidender Faktor für die Entwicklung von Wärmemanagementlösungen für Hochleistungshalbleiterbauelemente.
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
Tatsächlich können TTCs auch die Anforderungen der fortschrittlichen Verpackungstechnik erfüllen. In einem aktuellen Forschungsprojekt, das auf der 73. IEEE Electronic Components and Technology Conference (ECTC) 2023 in Orlando, Florida, in einem Beitrag mit dem Titel „Bottom Side Cooling for Glass Interposer with Chip Embedding using Double-sided Release Process for 6G Wireless Applications“ vorgestellt wurde, Forscher der Georgia Tech und der Penn State University TTCs von Thermal Engineering Associates (TEA) für die Entwicklung eines Verfahrens zur Chip-Einbettung in Glas-Interposer verwendet (Abbildung 5). In dem Glas-Interposer werden Durchgangshohlräume im Glassubstrat hergestellt, und das TTC wird in den Durchgangshohlraum eingebettet und über Redistribution Layers (RDL) auf der Oberseite verbunden. Ein Kupfer-Wärmeverteiler wird mithilfe einer TIM-Schnittstelle zur Wärmeleitung an der freiliegenden Rückseite des TTC befestigt. Die Leistungsdichte des eingebetteten TTC wird getestet, um die Kühlleistung bei verschiedenen Wärmeübergangskoeffizienten im Bereich von 28,8 bis 261,3W/m²Kzu ermitteln.
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.
