열 관리는특히 첨단 패키징으로 인해 기능 밀도와 전력 밀도가 증가함에 따라 반도체 디바이스에서 점점 더 중요한 과제가 되고 있습니다. 열 테스트 칩(TTC)은 고전력 반도체 디바이스를 위한 열 관리 솔루션을 개발하는 데 매우 중요한 요소입니다.
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
실제로 TTC는 고급 패키징의 요구 사항도 충족할 수 있습니다. 2023년 플로리다주 올랜도에서 열린 제73회 IEEE 전자 부품 및 기술 컨퍼런스(ECTC)에서 발표된 "6G 무선 애플리케이션을 위한 양면 방출 공정을 사용한 칩 임베딩 유리 인터포저의 바닥면 냉각"이라는 제목의 논문에서Georgia Tech와 펜실베니아 주립대학교의 연구원들은 다이 임베딩 유리 인터포저 공정 개발을 위해 Thermal Engineering Associates(TEA)의 TTC를 사용했습니다(그림 5). 유리 인터포저에서는 유리 기판에 스루 캐비티가 준비되고, TTC가 스루 캐비티에 내장되어 상단의 RDL(재배포 레이어)을 통해 연결됩니다. 열 관리를 위해 TIM 인터페이스를 사용하여 구리 히트 스프레더가 노출된 TTC 뒷면에 부착됩니다. 내장된 TTC 전력 밀도는 28.8~261.3W/m2K범위의 다양한 열 전달 계수로 냉각 용량을 테스트했습니다.
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.
