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.
Comment les CTT sont-ils fabriqués ?
Les TTC fabriqués à partir de plaquettes de silicium (figure 1) produites en Amérique peuvent simuler avec précision la taille et la distribution non uniforme de la puissance (comme les points chauds) d'une véritable puce semi-conductrice, avec des capteurs intégrés sur la puce pour mesurer la température de la puce en temps réel. Le TTC, qui est un ASIC analogique, est constitué de cellules unitaires (figures 2 et 3), et l'entrée de puissance et la température de chaquecellule unitaire sont directement adressables, ce qui permet de configurer la distribution de puissance et de mesurer la température in situ sur la puce - à l'échelle d'une cellule unitaire.
Des résistances à film métallique sont utilisées pour la source de chaleur dans la cellule unitaire afin d'améliorer l'uniformité et l'adaptation sur la tranche de silicium, et leurs coefficients de température relativement stables se traduisent par une dissipation de puissance constante au cours de la mesure thermique. Les sources de chaleur sont également disposées conformément à la norme JEDEC JESD51-4. Des diodes de détection de température (TSD) placées stratégiquement dans le TTC permettent une mesure précise de la température de la puce à plusieurs endroits simultanément.
Comme les cellules unitaires peuvent être disposées dans n'importe quelle combinaison, le TTC peut être de n'importe quelle taille pour correspondre à la taille de la puce réelle (jusqu'à 50 mm x 50 mm ou plus si nécessaire). Le TTC, grâce à la précision et à l'exactitude des éléments chauffants et des capteurs intégrés dans chaque cellule, peut simuler avec précision le comportement thermique d'une véritable puce semi-conductrice. Il constitue donc un excellent outil pour le développement simultané de solutions de gestion thermique pendant qu'une nouvelle puce est en cours de développement (ce qui prend souvent plusieurs années).
Utilisation de puces d'essai thermique pour la construction de véhicules d'essai
Avec les TTC (conçus pour le collage de fils ou la fixation de puces), les véhicules de test thermique (TTV) peuvent être développés dans différents formats d'emballage, tels que BGA, LGA, COB, etc., ainsi qu'avec plusieurs puces par emballage (figure 4) pour simuler un système dans l'emballage (SiP) qui est souvent utilisé dans l'intégration hétérogène.
Avec la possibilité d'une distribution de puissance configurable et d'une mesure simultanée de la température sur la puce, les TTC et TTV peuvent être très utiles pour la caractérisation thermique (en régime permanent et transitoire) et l'évaluation, y compris la cartographie de la puissance et/ou de la température, pour les boîtiers de semi-conducteurs et les dispositifs qui peuvent incorporer diverses solutions de gestion thermique - matériaux d'interface thermique (TIM), dissipateur thermique, chambre de vapeur, caloduc, plaque froide, refroidissement par liquide, etc. Ils peuvent également être très utiles pour valider la simulation et la modélisation thermiques. Ils peuvent également être très utiles pour valider la simulation et la modélisation thermiques. En outre, des cycles de puissance peuvent être effectués dans un cadre programmé afin d'évaluer la fiabilité des différentes solutions de gestion thermique.
Puces d'essai thermique pour les intercalaires en verre : Une étude de cas
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.
Dans l'ensemble, les TTC et les TTV seront capables de reproduire fidèlement les puces à semi-conducteurs et les boîtiers avancés au fur et à mesure de leur évolution, avec une densité de puissance croissante et des configurations d'emballage plus complexes. Les TTC sous forme de puces empilées et de chiplets dans un emballage 2,5D/3D sont actuellement en cours de développement.
