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.
TTC는 어떻게 제작되나요?
미국에서 제조된 실리콘 웨이퍼(그림 1)로 제작된 TTC는 칩의 실시간 온도 측정을 위한 온칩 센서가 내장되어 있어 실제 반도체 칩의 크기와 불균일한 전력 분포(핫스팟 등)를 정확하게 시뮬레이션할 수 있습니다. 아날로그 ASIC인 TTC는 단위 셀로 구성되며(그림 2 및 3), 각단위 셀의 전원 입력 및 온도를 직접 주소 지정할 수 있어 단위 셀의 규모까지 칩에서 전력 분배 및 현장 온도 측정을 구성할 수 있는 기능을 제공합니다.
단위 셀의 열원에는 금속 필름 저항이 사용되어 웨이퍼 전체에 걸쳐 균일성과 정합성이 향상되고 상대적으로 안정적인 온도 계수로 인해 열 측정이 진행되는 동안 일정한 전력 손실이 발생합니다. 또한 열원은 JEDEC JESD51-4 표준을 준수하도록 배치되어 있습니다. TTC에 전략적으로 배치된 온도 감지 다이오드(TSD)를 통해 여러 위치에서 동시에 다이의 온도를 정밀하게 측정할 수 있습니다.
단위 셀은 어떤 조합으로도 배열할 수 있기 때문에 TTC는 실제 칩의 크기에 맞춰 어떤 크기로도 제작할 수 있습니다(필요한 경우 최대 50mm x 50mm 이상). 각 단위 셀에 통합된 히터와 센서의 정밀도와 정확성을 갖춘 TTC는 실제 반도체 칩의 열 거동을 정확하게 시뮬레이션할 수 있으므로 새로운 칩을 개발하는 동안(보통 몇 년이 걸리는) 열 관리 솔루션을 동시에 개발할 수 있는 훌륭한 툴입니다.
열 테스트 칩을 사용하여 테스트 차량 제작하기
와이어 본딩 또는 플립 칩 부착용으로 설계된 TTC를 사용하면 열 테스트 차량(TTV)을 BGA, LGA, COB 등과 같은 다양한 패키징 형식은 물론 패키지당 멀티 칩으로 개발하여 이기종 통합에 자주 사용되는 시스템 인 패키지(SiP)를 시뮬레이션할 수 있습니다(그림 4).
칩 전체에 걸쳐 구성 가능한 전력 분배 및 동시 온도 측정 기능을 갖춘 TTC와 TTV는 열 인터페이스 재료(TIM), 히트 싱크, 증기 챔버, 히트 파이프, 냉판, 액체 냉각 등 다양한 열 관리 솔루션을 통합할 수 있는 반도체 패키지 및 디바이스의 열 특성화(정상 상태 및 과도 상태) 및 전력 및 온도 매핑을 포함한 평가에 매우 유용할 수 있습니다. 또한 열 시뮬레이션 및 모델링을 검증하는 데 매우 유용할 수 있습니다. 또한 다양한 열 관리 솔루션의 신뢰성 성능을 평가하기 위해 프로그래밍된 설정에서 전원 사이클링을 수행할 수 있습니다.
유리 인터포저용 열 테스트 칩: 사례 연구
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.
전반적으로 TTC와 TTV는 전력 밀도가 높아지고 패키징 구성이 더 복잡해지면서 반도체 칩과 첨단 패키지가 발전함에 따라 이를 면밀히 모방할 수 있게 될 것입니다. 현재 2.5D/3D 패키징의 적층 칩과 칩렛 형태의 TTC가 개발 중입니다.
