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.
如何製造 TTC？
由美國製造的矽晶圓所製成的 TTC (圖一)，可精確模擬真實半導體晶片的尺寸與不均勻的功率分布 (例如熱點)，並內嵌晶片上的感測器，可即時量測晶片的溫度。TTC 是一個類比 ASIC，由單元組成 (圖 2 和圖 3)，每個單元的電源輸入和溫度都可直接定址，因此可在晶片上進行可配置的電源分配和現場溫度測量 - 小到單元的規模。
金屬薄膜電阻用於單元單元中的熱源，以獲得更好的均勻性和整個晶圓的匹配性，其相對穩定的溫度係數可在熱量測量過程中實現恆定的功率耗散。熱源的佈局也符合 JEDEC JESD51-4 標準。溫度感測二極體 (TSD) 策略性地設置在 TTC 中，可同時精確測量多個位置的晶片溫度。
由於單元單元可以任意組合排列，因此 TTC 的尺寸可以任意配合真實晶片的尺寸 (最大可達 50mm x 50mm 或更大)。TTC 透過每個單元單元中的整合式加熱器和感測器的精確度和準確性，可以準確模擬真實半導體晶片的熱行為，因此在新晶片開發期間 (通常需要數年時間)，為同步開發熱管理解決方案提供了絕佳的工具。
使用熱能測試晶片製造測試車
透過 TTC（設計用於接線或倒裝晶片連接），可開發各種封裝形式的熱測試車 (TTV)，例如 BGA、LGA、COB 等，以及每封裝多顆晶片 (圖 4)，以模擬常用於異質整合的系統封裝 (SiP)。
TTC 和 TTV 具備可配置的功率分配能力，並能同時測量整個晶片的溫度，因此對於整合各種熱能管理解決方案 (熱介面材料 (TIM)、散熱器、蒸氣室、熱管、冷卻板、液態冷卻等) 的半導體封裝和元件而言，TTC 和 TTV 對於熱特徵 (穩態和瞬態) 和評估 (包括功率和/或溫度映射) 非常有用。它們對於驗證熱模擬和建模也非常有用。此外，還可在程式化設定中進行電源循環，以評估多種熱能管理解決方案的可靠性能。
玻璃夾層的熱測試晶片：個案研究
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.
總體而言，隨著半導體晶片和先進封裝的演進 - 功率密度不斷提高，封裝配置也更加複雜，TTC 和 TTV 將能夠緊密地模仿半導體晶片和先進封裝。目前正在開發 2.5D/3D 封裝的堆疊晶片和 chiplet 形式的 TTC。
