A gestão térmica está a tornar-se um desafio cada vez mais crítico para os dispositivos semicondutores, à medida que a densidade funcional e a densidade de potência aumentam — especialmente com as técnicas avançadas de encapsulamento. Os chips de teste térmico (TTC) são um elemento essencial para o desenvolvimento de soluções de gestão térmica para dispositivos semicondutores de alta potência.
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
De facto, os TTCs também podem satisfazer as necessidades de embalagens avançadas. Num projeto de investigação recente, apresentado na 73.ª Conferência de Componentes Eletrónicos e Tecnologia (ECTC) do IEEE de 2023, em Orlando, Flórida, num artigo intitulado «Arrefecimento pela parte inferior para interpositores de vidro com integração de chips utilizando um processo de libertação de dupla face para aplicações sem fios 6G», investigadores da Georgia Tech e da Universidade Estadual da Pensilvânia utilizaram TTCs da Thermal Engineering Associates (TEA) para o desenvolvimento de um processo de interpositor de vidro com chip incorporado (Figura 5). No interpositor de vidro, são preparadas cavidades de passagem no substrato de vidro, e o TTC é incorporado na cavidade de passagem e ligado através de camadas de redistribuição (RDL) na face superior. Um dissipador de calor de cobre é fixado à parte traseira exposta do TTC utilizando uma interface TIM para gestão térmica. A densidade de potência do TTC incorporado é testada para avaliar a capacidade de arrefecimento com vários coeficientes de transferência de calor que variam entre 28,8 e 261,3W/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.
