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.
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
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.
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.
