La gestión térmica se está convirtiendo en un reto cada vez más crucial para los dispositivos semiconductores, a medida que aumentan la densidad funcional y la densidad de potencia, especialmente con los sistemas de encapsulado avanzados. Los chips de prueba térmica (TTC) son un elemento clave para desarrollar soluciones de gestión térmica para dispositivos semiconductores de alta potencia.
¿Cómo se fabrican los TTC?
Los TTC fabricados a partir de obleas de silicio (Figura 1) producidas en Estados Unidos pueden simular con precisión el tamaño y la distribución no uniforme de la potencia (como los puntos calientes) de un chip semiconductor real, y cuentan con sensores integrados en el propio chip para la medición en tiempo real de la temperatura del mismo. El TTC, que es un ASIC analógico, está compuesto por celdas unitarias (figuras 2 y 3), y la potencia de entrada y la temperaturade cadaceldaunitariason directamente direccionables, lo que permite una distribución de potencia configurable y la medición de la temperatura in situ en el chip, hasta la escala de una celda unitaria.
Las resistencias de película metálica se utilizan como fuente de calor en la celda unitaria para lograr una mayor uniformidad y homogeneidad en toda la oblea, y sus coeficientes de temperatura relativamente estables garantizan una disipación de potencia constante a lo largo de la medición térmica. Además, las fuentes de calor están dispuestas de acuerdo con la norma JEDEC JESD51-4. Los diodos sensores de temperatura (TSD), situados estratégicamente en el TTC, permiten medir con precisión la temperatura del chip en varios puntos simultáneamente.
Dado que las celdas unitarias pueden disponerse en cualquier combinación, el TTC puede tener cualquier tamaño para adaptarse al del chip real (hasta 50 mm x 50 mm o más, si fuera necesario). El TTC, gracias a la precisión y exactitud de los calentadores y sensores integrados en cada celda unitaria, puede simular con exactitud el comportamiento térmico de un chip semiconductor real y, por lo tanto, constituye una herramienta excelente para el desarrollo simultáneo de soluciones de gestión térmica mientras se está desarrollando un nuevo chip (lo que a menudo lleva varios años).
Uso de chips de prueba térmica para construir vehículos de prueba
Con los TTC (diseñados para la unión por hilo o la fijación de chips flip), los vehículos de prueba térmica (TTV) pueden desarrollarse en diversos formatos de encapsulado, como BGA, LGA, COB, etc., así como con varios chips por encapsulado (Figura 4) para simular el sistema en encapsulado (SiP) que se utiliza a menudo en la integración heterogénea.
Gracias a su capacidad para distribuir la potencia de forma configurable y medir simultáneamente la temperatura en todo el chip, los TTC y los TTV pueden resultar muy útiles para la caracterización térmica (en estado estacionario y transitorio) y la evaluación —incluida la cartografía de potencia y/o temperatura— de paquetes y dispositivos semiconductores que pueden incorporar diversas soluciones de gestión térmica: materiales de interfaz térmica (TIM), disipadores de calor, cámaras de vapor, tubos de calor, placas frías, refrigeración líquida, etc. También pueden resultar muy útiles para validar simulaciones y modelos térmicos. Además, se pueden realizar ciclos de potencia en un entorno programado para evaluar el rendimiento en términos de fiabilidad de diversas soluciones de gestión térmica.
Chips de prueba térmica para interpositores de vidrio: un estudio de caso
De hecho, los TTC también pueden satisfacer las necesidades del encapsulado avanzado. En un proyecto de investigación reciente, presentado en la 73.ª Conferencia IEEE sobre Componentes y Tecnología Electrónica (ECTC) de 2023, celebrada en Orlando (Florida), en un artículo titulado «Refrigeración por la cara inferior para un interpositor de vidrio con chip incrustado mediante un proceso de desmoldeo por ambas caras para aplicaciones inalámbricas 6G», investigadores de Georgia Tech y de la Universidad Estatal de Pensilvania utilizaron TTC de Thermal Engineering Associates (TEA) para el desarrollo de un proceso de interpositor de vidrio con chip incrustado (Figura 5). En el interpositor de vidrio, se preparan cavidades pasantes en el sustrato de vidrio, y el TTC se incrusta en la cavidad pasante y se conecta a través de capas de redistribución (RDL) en la cara superior. Se fija un disipador de calor de cobre a la parte posterior expuesta del TTC mediante una interfaz TIM para la gestión térmica. Se comprueba la densidad de potencia del TTC integrado para evaluar la capacidad de refrigeración con diversos coeficientes de transferencia de calor que oscilan entre 28,8 y 261,3W/m²K.
En general, los TTC y los TTV podrán emular fielmente la evolución de los chips semiconductores y los encapsulados avanzados, con una densidad de potencia cada vez mayor y configuraciones de encapsulado más complejas. Actualmente se están desarrollando TTC en forma de chips apilados y «chiplets» en encapsulados 2,5D/3D.
