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.
Como são fabricados os TTC?
Os TTC fabricados a partir de bolachas de silício (figura 1) fabricadas na América podem simular com exatidão a dimensão e a distribuição não uniforme de energia (como os pontos quentes) de uma pastilha semicondutora real, com sensores incorporados na pastilha para medição da temperatura da pastilha em tempo real. O TTC, que é um ASIC analógico, é constituído por células unitárias (Figuras 2 e 3) e a entrada de energia e a temperatura de cadacélula unitária são diretamente endereçáveis, permitindo assim uma distribuição de energia configurável e a medição da temperatura in situ no chip - até à escala de uma célula unitária.
As resistências de película metálica são utilizadas para a fonte de calor na célula unitária para uma melhor uniformidade e correspondência ao longo da bolacha, e os seus coeficientes de temperatura relativamente estáveis resultam numa dissipação de potência constante ao longo da medição térmica. As fontes de calor também estão dispostas em conformidade com a norma JEDEC JESD51-4. Os díodos sensores de temperatura (TSD) estrategicamente localizados no TTC permitem uma medição precisa da temperatura da matriz em vários locais simultaneamente.
Uma vez que as células unitárias podem ser dispostas em qualquer combinação, o TTC pode ter qualquer tamanho para corresponder ao tamanho do chip real (até 50 mm x 50 mm ou mais, se necessário). O TTC, com a sua precisão e exatidão dos aquecedores e sensores integrados em cada célula unitária, pode simular com exatidão o comportamento térmico de um chip semicondutor real, oferecendo assim uma excelente ferramenta para o desenvolvimento simultâneo de soluções de gestão térmica enquanto um novo chip está a ser desenvolvido (o que muitas vezes demora vários anos).
Utilização de chips de teste térmico para construir veículos de teste
Com os TTC (concebidos para ligação de fios ou fixação de flip-chips), os veículos de teste térmico (TTV) podem ser desenvolvidos em vários formatos de embalagem, como BGA, LGA, COB, etc., bem como em vários chips por embalagem (Figura 4) para simular o sistema em pacote (SiP), que é frequentemente utilizado na integração heterogénea.
Com a capacidade de distribuição de potência configurável e medição simultânea da temperatura em todo o chip, os TTC e os TTV podem ser muito úteis para a caraterização térmica (estado estacionário e transiente) e avaliação, incluindo mapeamento de potência e/ou temperatura, para pacotes e dispositivos de semicondutores que podem incorporar várias soluções de gestão térmica - materiais de interface térmica (TIM), dissipador de calor, câmara de vapor, tubo de calor, placa fria, arrefecimento líquido, etc. Podem também ser muito úteis para validar a simulação e a modelação térmicas. Além disso, o ciclo de energia pode ser efectuado numa configuração programada para avaliar o desempenho de fiabilidade de várias soluções de gestão térmica.
Fichas de teste térmico para interpositores de vidro: Um estudo de caso
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.
De um modo geral, os TTC e os TTV poderão imitar de perto as pastilhas de semicondutores e as embalagens avançadas à medida que estas evoluem - com uma densidade de potência crescente e configurações de embalagem mais complexas. Os TTC sob a forma de pastilhas empilhadas e chiplets em embalagens 2,5D/3D estão atualmente em desenvolvimento.
