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.
TTCはどのように作られるのか？
アメリカで製造されたシリコンウェハー（図1）から作られたTTCは、実際の半導体チップのサイズと不均一な電力分布（ホットスポットなど）を正確にシミュレートすることができ、チップの温度をリアルタイムで測定するためのオンチップセンサーが組み込まれています。アナログASICであるTTCはユニットセルで構成され（図2、3）、各ユニットセルの電力入力と温度は直接アドレス指定が可能である。
ユニットセル内の熱源には、ウェーハ全体の均一性と整合性を高めるために金属皮膜抵抗が使用されており、その比較的安定した温度係数は、熱測定の過程で一定の電力散逸をもたらします。また、熱源はJEDEC JESD51-4規格に準拠して配置されています。TTCに戦略的に配置された温度検出ダイオード（TSD）により、ダイの温度を複数箇所で同時に正確に測定できます。
ユニットセルは任意の組み合わせで配列できるため、TTCは実際のチップのサイズに合わせて任意の大きさにすることができます（必要に応じて最大50mm x 50mmまたはそれ以上）。TTCは、各ユニットセルに内蔵されたヒーターとセンサーの精度が高く、実際の半導体チップの熱挙動を正確にシミュレートできるため、新しいチップの開発中（多くの場合、数年かかる）に熱管理ソリューションを同時開発するための優れたツールになります。
サーマル・テスト・チップを使ったテスト車両の製作
TTC（ワイヤーボンディングまたはフリップチップ取り付け用に設計）を使用すれば、BGA、LGA、COBなどのさまざまなパッケージ形式や、異種集積でよく使用されるシステム・イン・パッケージ（SiP）をシミュレートするためのパッケージごとのマルチチップ（図4）で、サーマル・テスト・ビークル（TTV）を開発できる。
TTCとTTVは、設定可能な電力分布とチップ全体の同時温度測定機能を備えており、熱界面材料（TIM）、ヒートシンク、ベーパーチャンバー、ヒートパイプ、コールドプレート、液冷など、さまざまな熱管理ソリューションを組み込むことができる半導体パッケージやデバイスの熱特性評価（定常状態および過渡状態）と、電力および/または温度マッピングを含む評価に非常に役立ちます。また、熱シミュレーションやモデリングの検証にも非常に役立ちます。さらに、様々な熱管理ソリューションの信頼性性能を評価するために、プログラムされた設定でパワーサイクルを行うことができます。
ガラスインターポーザーの熱試験チップ：ケーススタディ
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.
全体として、TTCとTTVは、半導体チップと高度なパッケージが進化するにつれて、電力密度が増加し、パッケージ構成がより複雑になるにつれて、それらを密接にエミュレートできるようになる。現在、2.5D/3Dパッケージの積層チップやチップレットの形のTTCが開発中である。
