Come tutti sanno, la ricerca di soluzioni di gestione termica sta diventando un problema sempre più critico, ma anche sempre più impegnativo, per l'industria dei semiconduttori, in quanto la densità di potenza aumenta e la struttura di imballaggio dei semiconduttori diventa più complessa. La dissipazione termica è spesso una grande preoccupazione, in quanto la densità di potenza dei dispositivi a semiconduttore aumenta e la temperatura di giunzione aumenta, il che può influire negativamente sulle prestazioni e sull'affidabilità del dispositivo a semiconduttore.
Sono necessari strumenti e capacità efficaci per sviluppare soluzioni di gestione termica che garantiscano che le prestazioni dei dispositivi a semiconduttore non siano influenzate negativamente da prestazioni termiche scadenti. Sia la simulazione al computer che i test termici fisici svolgono un ruolo importante.
La simulazione al computer puòvalutare diverse opzioni di progettazione, eseguire analisi di sensibilità e aiutare il progettista a scegliere la soluzione migliore tra le varie opzioni, senza dover costruire prototipi reali. Ciò è molto utile nelle prime fasi di sviluppo di un nuovo prodotto (come un dispositivo a semiconduttori) e contribuisce ad accelerare notevolmente lo sviluppo del prodotto. I vantaggi della simulazione al computer sono evidenti e per questo motivo, nel corso degli anni, la simulazione al computer è stata ampiamente utilizzata come strumento di sviluppo dei prodotti per i dispositivi a semiconduttore.
Tuttavia, questo non significa che la simulazione al computer possa sostituire completamente le misurazioni e i test fisici, perché la simulazione al computer soffre tipicamente di diverse limitazioni molto significative. Per cominciare, la modellazione al computer deve sempre fare un certo numero di ipotesi, relative alle condizioni al contorno, alle condizioni ambientali, alle proprietà dei materiali, ecc. Spesso è necessario effettuare delle semplificazioni per una struttura complessa, soprattutto quando la struttura del packaging dei semiconduttori diventa più complessa. L'integrazione eterogenea rende questi problemi ancora più impegnativi, poiché in un singolo pacchetto è spesso coinvolta una grande varietà di materiali, interconnessioni e interfacce, tutti elementi molto importanti nell'ecosistema locale per le prestazioni termiche del pacchetto di semiconduttori.
Inoltre, la modellazione al computer spesso tratta un problema statico, mentre il problema reale è sempre dinamico. Ad esempio, le proprietà dei materiali, come i materiali di interfaccia termica (TIM), possono variare e modificarsi nel tempo in base alle condizioni ambientali. Il pump-out può verificarsi in presenza di carichi termici e meccanici. Spesso è difficile per la simulazione al computer considerare con precisione tutte queste variazioni. Esiste anche una non uniformità nei vari elementi della struttura: nel chip, nel dissipatore di calore, nel TIM, ecc. ed è difficile tenere conto con precisione di tutte queste condizioni non uniformi della vita reale nella simulazione al computer.
Molto importante è il fatto che l'interfaccia tra i vari elementi e materiali (come il die, il TIM e il dissipatore di calore) nella struttura del package svolge un ruolo significativo nella dissipazione del calore, ma è piuttosto difficile da caratterizzare con precisione in termini di resistenza termica e la modellazione al computer spesso deve fare delle semplificazioni in queste complesse strutture di packaging. I dispositivi funzionali a semiconduttore nella vita reale sono anche molto dinamici in termini di comportamento termico, soprattutto quando ci sono effetti interattivi, ad esempio tra le proprietà dei materiali e la temperatura del dispositivo che le proprietà del materiale influenzano direttamente; questi fenomeni dinamici e interattivi possono essere difficili da catturare con precisione per la modellazione al computer.
Nella vita reale, le modalità di guasto e i meccanismi di degrado delle prestazioni sono spesso complessi e la modellazione al computer si concentra in genere su alcune modalità di guasto note. Modalità di guasto impreviste per un particolare pacchetto di semiconduttori possono talvolta comportare rischi significativi. Per questo motivo, i test fisici sono sempre necessari per la convalida.
Naturalmente, le misurazioni e i test termici hanno le loro sfide, soprattutto se devono essere eseguiti prima dello sviluppo e della produzione del dispositivo a semiconduttore, che può richiedere diversi anni. La prassi del settore è stata quella di sviluppare soluzioni di gestione termica - che richiedono misure e test termici - durante lo sviluppo del chip. I chip di test termici (TTC) e i veicoli di test termici (TTV) svolgono un ruolo importante in questo ambiente concomitante (Figure 1 e 2).
I TTC devono essere in grado di approssimare fedelmente la distribuzione della potenza in ingresso e della densità di potenza del chip (tipicamente non uniforme) e contemporaneamente di rilevare accuratamente la distribuzione della temperatura (utilizzando sensori integrati) sull'intero die (con risoluzione fino a 1mmx1mm), in tempo reale.
È interessante notare che i TTC, avendo dimensioni di 1 mm2, possono essere molto utili per simulare le prestazioni termiche dei chiplet per i dispositivi a semiconduttore avanzati.
I TTV, costituiti da uno o più TTC impacchettati, devono essere configurati in modo da rappresentare la struttura di imballaggio prevista e devono essere costruiti e realizzati utilizzando i TIM, i dissipatori di calore e altri componenti reali che possono influire sulla dissipazione del calore e sulle prestazioni termiche dell'intero sistema. Gli standard industriali, come quelli della serie JEDEC JESD51, devono essere rigorosamente rispettati per confrontare le soluzioni alternative di gestione termica. I TTV possono anche essere costruiti per un'applicazione specifica con la struttura reale del pacchetto, che spesso è diversa (e più complessa) da quella definita nello standard. Per questo motivo, i TTV possono avere molte varietà specifiche (Figura 3).
Le schede di carico termico (TLB) sono strumenti di progettazione della gestione termica a livello di sistema per la progettazione simultanea degli aspetti meccanici, elettrici e termici dei sistemi elettronici (Figura 5). La scheda di carico termico (TLB) è tipicamente progettata su misura per fornire una simulazione fisica delle condizioni di carico termico reali, utilizzando simulatori di fonti di calore resistivi e TTC (HSS).
Questi strumenti sono molto utili per caratterizzare le prestazioni termiche di dispositivi e pacchetti di semiconduttori. Utilizzando i TTC e i TTV ed eseguendo misure e test termici in ambienti reali (come la potenza assorbita, le condizioni ambientali, il flusso d'aria, ecc.), è possibile caratterizzare la distribuzione spaziale e temporale della temperatura (compresi i punti caldi) sul chip, valutare le prestazioni termiche dell'intero pacchetto, valutare i vari design del pacchetto, i TIM, i dissipatori di calore, ecc. e calibrare e convalidare la modellazione al computer.
In generale, il nostro obiettivo nello sviluppo dei prodotti per i dispositivi a semiconduttore è quello di avere una "progettazione ottimale", non una progettazione eccessiva (che influisce su costi, dimensioni, peso e TTM) o una progettazione insufficiente (che influisce sull'affidabilità e sulle prestazioni del prodotto). L'unico modo per raggiungere questo obiettivo è l'uso efficace della simulazione al computer ("gemello digitale") in combinazione con le misure e i test termici, utilizzando la "simulazione fisica" ("gemello fisico").
Per ulteriori informazioni, contattare il dottorDongkai Shangguan.
