隨著功能密度和功率密度的增加，尤其是先進封裝的出現，熱管理正成為半導體元件面臨的一項日益嚴峻的挑戰。熱測試晶片 (TTC) 是為高功率半導體元件開發熱能管理解決方案的重要推動力。
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
事實上，TTC 也能滿足先進封裝的需求。最近在美國佛羅里達州奧蘭多舉行的第 2023 屆 IEEE 第 73 屆電子元件與技術大會 (ECTC) 上，來自 Georgia Tech 和 Penn State University 的研究人員發表了一篇題為「Bottom Side Cooling for Glass Interposer with Chip Embedding using Double-sided Release Process for 6G Wireless Applications」的論文，他們使用 Thermal Engineering Associates (TEA) 的 TTC 開發了一種晶粒嵌入式玻璃夾層製程 (圖 5)。在玻璃夾層中，在玻璃基板上製備通孔，將 TTC 嵌入通孔中，並透過上層的再分布層 (RDL) 連接。使用 TIM 介面將銅散熱器連接到外露的 TTC 背面，以進行熱能管理。嵌入式 TTC 功率密度測試的散熱能力為 28.8~261.3W/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。
