La gestione termica sta diventando una sfida sempre più cruciale per i dispositivi a semiconduttori, con l'aumentare della densità funzionale e della densità di potenza, in particolare nel caso dei sistemi di packaging avanzati. I chip di prova termica (TTC) sono un elemento fondamentale per lo sviluppo di soluzioni di gestione termica destinate ai dispositivi a semiconduttori ad alta potenza.
Come vengono fabbricati i TTC?
I TTC ricavati da wafer di silicio (Figura 1) prodotti in America possono simulare con precisione le dimensioni e la distribuzione non uniforme della potenza (come gli hot spot) di un vero chip a semiconduttore, con sensori incorporati on-chip per la misurazione della temperatura del chip in tempo reale. Il TTC, che è un ASIC analogico, è costituito da celle unitarie (Figure 2 e 3) e l'ingresso di potenza e la temperatura di ognicella unitaria sono direttamente indirizzabili, fornendo così la possibilità di configurare la distribuzione di potenza e la misurazione della temperatura in situ sul chip, fino alla scala di una cella unitaria.
Per la sorgente di calore nella cella unitaria si utilizzano resistenze a film metallico per ottenere una migliore uniformità e corrispondenza su tutto il wafer; inoltre, i loro coefficienti di temperatura relativamente stabili consentono una dissipazione di potenza costante nel corso della misura termica. Le sorgenti di calore sono inoltre disposte in modo da essere conformi allo standard JEDEC JESD51-4. I diodi di rilevamento della temperatura (TSD) posizionati strategicamente nel TTC consentono di misurare con precisione la temperatura del die in più punti contemporaneamente.
Poiché le celle unitarie possono essere disposte in qualsiasi combinazione, il TTC può essere di qualsiasi dimensione per adattarsi alle dimensioni del chip reale (fino a 50 mm x 50 mm o più grande, se necessario). Il TTC, grazie alla precisione e all'accuratezza dei riscaldatori e dei sensori integrati in ogni cella, è in grado di simulare accuratamente il comportamento termico di un vero chip a semiconduttore, offrendo così un ottimo strumento per lo sviluppo simultaneo di soluzioni di gestione termica durante lo sviluppo di un nuovo chip (che spesso richiede diversi anni).
Utilizzo di chip per test termici per costruire veicoli di prova
Con i TTC (progettati per l'incollaggio a filo o per il fissaggio di flip chip), è possibile sviluppare veicoli di test termici (TTV) in vari formati di packaging, come BGA, LGA, COB, ecc. e multi-chip per pacchetto (Figura 4) per simulare il system-in-package (SiP), spesso utilizzato nell'integrazione eterogenea.
Grazie alla possibilità di configurare la distribuzione della potenza e di misurare simultaneamente la temperatura in tutto il chip, i TTC e i TTV possono essere molto utili per la caratterizzazione e la valutazione termica (a regime e transitoria), compresa la mappatura della potenza e/o della temperatura, per i pacchetti e i dispositivi a semiconduttore che possono incorporare varie soluzioni di gestione termica - materiali di interfaccia termica (TIM), dissipatore di calore, camera di vapore, heat pipe, piastra fredda, raffreddamento a liquido, ecc. Possono anche essere molto utili per convalidare la simulazione e la modellazione termica. Inoltre, i cicli di alimentazione possono essere eseguiti in un ambiente programmato per valutare le prestazioni di affidabilità di varie soluzioni di gestione termica.
Schede di prova termica per interpositori in vetro: Un caso di studio
Infatti, i TTC possono soddisfare anche le esigenze del packaging avanzato. In un recente progetto di ricerca, presentato alla 73ª Conferenza IEEE sui Componenti Elettronici e la Tecnologia (ECTC) del 2023 a Orlando, in Florida, in un articolo intitolato “Raffreddamento dal lato inferiore per interposer in vetro con chip incorporato mediante processo di rilascio su entrambi i lati per applicazioni wireless 6G”, i ricercatori del Georgia Tech e della Penn State University hanno utilizzato i TTC della Thermal Engineering Associates (TEA) per lo sviluppo di un processo di interposer in vetro con chip incorporato (Figura 5). Nell’interposer in vetro, vengono ricavate delle cavità passanti nel substrato di vetro; il TTC viene incorporato in una di queste cavità e collegato tramite strati di ridistribuzione (RDL) sul lato superiore. Un dissipatore di calore in rame viene fissato al lato posteriore esposto del TTC utilizzando un’interfaccia TIM per la gestione termica. La densità di potenza del TTC integrato viene testata per verificarne la capacità di raffreddamento con vari coefficienti di trasferimento termico compresi tra 28,8 e 261,3W/m²K.
Nel complesso, i TTC e i TTV saranno in grado di emulare da vicino i chip dei semiconduttori e le confezioni avanzate che si evolvono, con una densità di potenza crescente e configurazioni di packaging più complesse. Attualmente sono in fase di sviluppo TTC sotto forma di chip impilati e chiplet in confezioni 2,5D/3D.
