Comme nous le savons tous, la recherche de solutions de gestion thermique devient une question de plus en plus critique mais aussi de plus en plus difficile pour l'industrie des semi-conducteurs à mesure que la densité de puissance augmente et que la structure de l'emballage des semi-conducteurs devient plus complexe. La dissipation thermique est souvent une préoccupation majeure, car la densité de puissance des dispositifs à semi-conducteurs augmente et la température de jonction s'élève, ce qui peut nuire aux performances et à la fiabilité du dispositif à semi-conducteur.
Des outils et des capacités efficaces sont nécessaires pour développer des solutions de gestion thermique afin de s'assurer que les performances des dispositifs semi-conducteurs ne sont pas affectées par de mauvaises performances thermiques. La simulation informatique et les essais thermiques physiques jouent tous deux un rôle important.
La simulation informatique permet d'évaluer différentes options de conception, d'effectuer des analyses de sensibilité et d'aider le concepteur à choisir la meilleure solution parmi ces multiples options, sans avoir à construire de véritables prototypes. Ceci est très utile au début du développement d'un nouveau produit (tel qu'un dispositif semi-conducteur) et permet d'accélérer considérablement le développement du produit. Les avantages de la simulation informatique sont évidents et c'est pour cette raison que la simulation informatique a été largement utilisée comme outil de développement de produits pour les dispositifs à semi-conducteurs au fil des ans.
Toutefois, cela ne signifie pas que la simulation informatique peut remplacer complètement les mesures et les essais physiques, car la simulation informatique souffre généralement de plusieurs limitations très importantes. Tout d'abord, la modélisation informatique doit toujours faire un certain nombre d'hypothèses - concernant les conditions aux limites, les conditions ambiantes, les propriétés des matériaux, etc. Souvent, des simplifications doivent être faites pour une structure complexe - en particulier au fur et à mesure que la structure de l'emballage des semi-conducteurs devient plus complexe. L'intégration hétérogène rend ces questions encore plus difficiles car une grande variété de matériaux, d'interconnexions et d'interfaces sont souvent impliqués dans un seul boîtier - tous des éléments très importants dans l'écosystème local pour la performance thermique du boîtier du semi-conducteur.
En outre, la modélisation informatique traite souvent d'un problème statique alors que le problème réel est toujours dynamique. Par exemple, les propriétés des matériaux, tels que les matériaux d'interface thermique (MIT), peuvent varier et se modifier dans le temps sous l'effet des conditions environnementales. Le pompage peut se produire sous l'effet d'une charge thermique et mécanique. Il est souvent difficile pour la simulation informatique de prendre en compte avec précision toutes ces variations. Il existe également une non-uniformité dans les différents éléments de la structure - dans la puce, dans le dissipateur thermique, dans le MIT, etc. et il est difficile de prendre en compte avec précision toutes ces conditions non-uniformes de la vie réelle dans la simulation informatique.
L'interface entre les différents éléments et matériaux (tels que la puce, le MIT et le dissipateur thermique) dans la structure du boîtier joue un rôle important dans la dissipation de la chaleur, mais il est assez difficile de la caractériser précisément en termes de résistance thermique, et la modélisation informatique doit souvent procéder à des simplifications dans ces structures de boîtier complexes. Les dispositifs semi-conducteurs fonctionnels réels sont également très dynamiques en termes de comportement thermique, en particulier lorsqu'il existe des effets interactifs, par exemple entre les propriétés des matériaux et la température du dispositif que les propriétés du matériau affectent directement ; ces phénomènes dynamiques et interactifs peuvent être difficiles à saisir précisément par la modélisation informatique.
Dans la réalité, les modes de défaillance et les mécanismes de dégradation des performances sont souvent complexes, et la modélisation informatique se concentre généralement sur quelques modes de défaillance connus. Les modes de défaillance imprévus pour un boîtier de semi-conducteur particulier peuvent parfois présenter des risques importants. C'est pourquoi des essais physiques sont toujours nécessaires pour la validation.
Bien entendu, les mesures et les essais thermiques posent leurs propres problèmes, en particulier lorsque les essais doivent être effectués avant que le dispositif semi-conducteur n'ait été développé et fabriqué, ce qui peut prendre plusieurs années. La pratique industrielle a consisté à développer des solutions de gestion thermique - qui nécessitent des mesures et des essais thermiques - au fur et à mesure du développement de la puce. Les puces de test thermique (TTC) et les véhicules de test thermique (TTV) jouent un rôle important dans cet environnement simultané (figures 1 et 2).
Les TTC doivent être capables d'approcher de près la distribution de la puissance absorbée et de la densité de puissance de la puce (typiquement non uniforme), et simultanément de détecter avec précision la distribution de la température (à l'aide de capteurs intégrés) sur l'ensemble de la puce (avec une résolution allant jusqu'à 1mmx1mm), en temps réel.
Il est intéressant de noter que, comme les TTC ne dépassent pas 1 mm2, ils peuvent être très utiles pour simuler les performances thermiques des chiplets pour les dispositifs semi-conducteurs avancés.
Les TTV, qui consistent en une ou plusieurs TTC emballées, doivent être configurées de manière à représenter la structure d'emballage prévue, et construites et fabriquées à l'aide des MIT, des dissipateurs thermiques et d'autres composants réels qui peuvent affecter la dissipation de la chaleur et les performances thermiques de l'ensemble du système. Les normes industrielles telles que les normes JEDEC de la série JESD51 doivent être strictement respectées pour la comparaison des solutions alternatives de gestion thermique. Les TTV peuvent également être construits pour une application spécifique avec la structure réelle du boîtier - qui est souvent différente (et plus complexe) des structures de boîtier définies dans la norme. Ainsi, les TTV peuvent avoir de nombreuses variantes spécifiques (figure 3).
Les cartes de charge thermique (TLB) sont des outils de conception de gestion thermique au niveau du système pour la conception simultanée des aspects mécaniques, électriques et thermiques des systèmes électroniques (figure 5). La TLB est généralement conçue sur mesure pour fournir une simulation physique proche des conditions de charge thermique réelles à l'aide de simulateurs de sources de chaleur (HSS) résistifs et TTC.
Ces outils sont très utiles pour caractériser les performances thermiques des dispositifs et boîtiers semi-conducteurs. En utilisant les TTC et les TTV, et en effectuant des mesures et des essais thermiques dans des environnements réels (tels que la puissance absorbée, les conditions ambiantes, le flux d'air, etc.), la distribution spatiale et temporelle de la température (y compris les points chauds) sur la puce peut être caractérisée, la performance thermique de l'ensemble du boîtier peut être évaluée, les différentes conceptions du boîtier, les TIM, les dissipateurs de chaleur, etc. peuvent être évalués, et la modélisation informatique peut être calibrée et validée.
D'une manière générale, notre objectif en matière de développement de produits pour les dispositifs à semi-conducteurs est d'obtenir une "conception optimale" - pas de surconception (qui affecte le coût, la taille, le poids et le TTM), ni de sous-conception (qui affecte la fiabilité et les performances du produit). Le seul moyen d'y parvenir est d'utiliser efficacement la simulation informatique ("jumeau numérique") en tandem avec des mesures et des essais thermiques - en utilisant la "simulation physique" ("jumeau physique").
Pour de plus amples informations, veuillez contacter le Dr.Dongkai Shangguan.
