Như chúng ta đều biết, việc tìm kiếm các giải pháp quản lý nhiệt đang trở thành một vấn đề ngày càng quan trọng nhưng cũng ngày càng thách thức đối với ngành công nghiệp bán dẫn khi mật độ công suất tăng lên trong khi cấu trúc đóng gói bán dẫn trở nên phức tạp hơn. Tản nhiệt thường là mối quan tâm lớn khi mật độ công suất của các thiết bị bán dẫn tăng lên và nhiệt độ mối nối tăng lên, điều này có thể ảnh hưởng xấu đến hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị bán dẫn.
Cần có các công cụ và khả năng hiệu quả để phát triển các giải pháp quản lý nhiệt nhằm đảm bảo hiệu suất của các thiết bị bán dẫn không bị ảnh hưởng xấu do hiệu suất nhiệt kém. Cả mô phỏng máy tính và thử nghiệm nhiệt vật lý đều đóng vai trò quan trọng.
Mô phỏng máy tính có thể đánh giá các tùy chọn thiết kế khác nhau, thực hiện phân tích độ nhạy và giúp nhà thiết kế lựa chọn giải pháp tốt nhất trong số nhiều tùy chọn đó – mà không cần phải xây dựng nguyên mẫu thực tế. Điều này rất hữu ích trong giai đoạn đầu phát triển sản phẩm mới (chẳng hạn như thiết bị bán dẫn) và giúp đẩy nhanh quá trình phát triển sản phẩm. Những lợi thế của mô phỏng máy tính là rõ ràng và vì lý do này, mô phỏng máy tính đã được sử dụng rộng rãi như một công cụ trong quá trình phát triển sản phẩm cho các thiết bị bán dẫn trong nhiều năm qua.
Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là mô phỏng máy tính có thể thay thế hoàn toàn các phép đo và thử nghiệm vật lý vì mô phỏng máy tính thường gặp phải một số hạn chế rất đáng kể. Để bắt đầu, mô hình máy tính luôn cần đưa ra một số giả định nhất định - liên quan đến các điều kiện biên, điều kiện xung quanh, đặc tính vật liệu, v.v. Thông thường, phải đơn giản hóa đối với một cấu trúc phức tạp - đặc biệt là khi cấu trúc đóng gói bán dẫn trở nên phức tạp hơn. Tích hợp không đồng nhất khiến những vấn đề này thậm chí còn khó khăn hơn vì nhiều loại vật liệu, kết nối và giao diện thường liên quan đến một gói duy nhất - tất cả đều là những yếu tố rất quan trọng trong hệ sinh thái cục bộ đối với hiệu suất nhiệt của gói bán dẫn.
Hơn nữa, mô hình máy tính thường giải quyết một vấn đề tĩnh trong khi vấn đề thực tế luôn là vấn đề động. Ví dụ, các đặc tính vật liệu, chẳng hạn như vật liệu giao diện nhiệt (TIM) có thể thay đổi và có thể thay đổi theo thời gian trong điều kiện môi trường. Bơm ra có thể xảy ra dưới tải nhiệt và cơ học. Thường rất khó để mô phỏng máy tính xem xét chính xác tất cả các biến thể này. Ngoài ra còn có sự không đồng nhất trong các thành phần khác nhau của cấu trúc - trong chip, trong bộ tản nhiệt, trong TIM, v.v., và rất khó để tính toán chính xác tất cả các điều kiện không đồng nhất trong đời thực này trong mô phỏng máy tính.
Điều rất quan trọng là giao diện giữa các thành phần và vật liệu khác nhau (như khuôn, TIM và bộ tản nhiệt) trong cấu trúc gói đóng vai trò quan trọng trong quá trình tản nhiệt nhưng khá khó để mô tả chính xác về mặt điện trở nhiệt và mô hình máy tính thường cần phải đơn giản hóa các cấu trúc gói phức tạp này. Các thiết bị bán dẫn chức năng trong đời thực cũng rất năng động về mặt hành vi nhiệt của chúng, đặc biệt là khi có các hiệu ứng tương tác, ví dụ giữa các đặc tính vật liệu và nhiệt độ thiết bị mà các đặc tính của vật liệu ảnh hưởng trực tiếp; Các hiện tượng năng động và tương tác này có thể khó để mô hình máy tính nắm bắt chính xác.
Trong thực tế, các chế độ lỗi và cơ chế suy giảm hiệu suất thường phức tạp và mô hình máy tính thường tập trung vào một số chế độ lỗi đã biết. Các chế độ lỗi không lường trước được đối với một gói bán dẫn cụ thể đôi khi có thể gây ra rủi ro đáng kể. Do đó, luôn cần thử nghiệm vật lý để xác thực.
Tất nhiên, các phép đo nhiệt và thử nghiệm có những thách thức riêng – đặc biệt là khi thử nghiệm cần được thực hiện trước khi thiết bị bán dẫn thực tế được phát triển và sản xuất – có thể mất vài năm. Thực tiễn của ngành là phát triển các giải pháp quản lý nhiệt – đòi hỏi phải đo nhiệt và thử nghiệm – khi chip được phát triển. Chip thử nghiệm nhiệt (TTC) và phương tiện thử nghiệm nhiệt (TTV) đóng vai trò quan trọng trong môi trường đồng thời này (Hình 1 & 2).
TTC phải có khả năng ước tính chính xác công suất đầu vào và phân bố mật độ công suất của chip (thường không đồng đều) và đồng thời cảm nhận chính xác sự phân bố nhiệt độ (sử dụng cảm biến tích hợp) trên toàn bộ khuôn (với độ phân giải xuống tới 1mmx1mm), theo thời gian thực.
Điều thú vị là vì TTC chỉ nhỏ tới 1mm2 nên chúng có thể rất hữu ích trong việc mô phỏng hiệu suất nhiệt của chiplet cho các thiết bị bán dẫn tiên tiến.
TTV, bao gồm TTC(s) đóng gói, phải được cấu hình để đại diện cho cấu trúc đóng gói dự định và được chế tạo và sản xuất bằng cách sử dụng TIM thực tế, bộ tản nhiệt và các thành phần thực tế khác có thể ảnh hưởng đến khả năng tản nhiệt và hiệu suất nhiệt của toàn bộ hệ thống. Các tiêu chuẩn công nghiệp như tiêu chuẩn JEDEC JESD51-series phải được tuân thủ nghiêm ngặt để so sánh các giải pháp quản lý nhiệt thay thế. TTV cũng có thể được chế tạo cho một ứng dụng cụ thể với cấu trúc gói thực tế – thường khác (và phức tạp hơn) so với các cấu trúc gói được xác định trong tiêu chuẩn. Do đó, TTV có thể có nhiều loại cụ thể (Hình 3).
Bảng tải nhiệt (TLB) là các công cụ thiết kế quản lý nhiệt cấp hệ thống để thiết kế đồng thời các khía cạnh cơ học, điện và nhiệt của hệ thống điện tử (Hình 5). TLB thường được thiết kế riêng để cung cấp mô phỏng vật lý chặt chẽ về các điều kiện tải nhiệt thực tế bằng cách sử dụng Bộ mô phỏng nguồn nhiệt điện trở và TTC (HSS).
Các công cụ này rất hữu ích để mô tả hiệu suất nhiệt của các thiết bị và gói bán dẫn. Sử dụng TTC và TTV, và bằng cách thực hiện các phép đo nhiệt và thử nghiệm trong môi trường thực tế (chẳng hạn như đầu vào nguồn điện, điều kiện môi trường xung quanh, luồng không khí, v.v.), có thể mô tả phân bố nhiệt độ theo không gian và thời gian (bao gồm cả điểm nóng) trên chip, có thể đánh giá hiệu suất nhiệt của toàn bộ gói, có thể đánh giá các thiết kế gói khác nhau, TIM, bộ tản nhiệt, v.v., và có thể hiệu chuẩn và xác thực mô hình máy tính.
Nhìn chung, mục tiêu của chúng tôi trong quá trình phát triển sản phẩm cho các thiết bị bán dẫn là có “thiết kế tối ưu” – không phải thiết kế quá mức (ảnh hưởng đến chi phí, kích thước, trọng lượng và TTM) hoặc thiết kế dưới mức (ảnh hưởng đến độ tin cậy và hiệu suất sản phẩm). Cách duy nhất để đạt được mục tiêu đó là thông qua việc sử dụng hiệu quả mô phỏng máy tính (“bản sao kỹ thuật số”) cùng với các phép đo nhiệt và thử nghiệm – sử dụng “mô phỏng vật lý” (“bản sao vật lý”).
Để biết thêm thông tin, vui lòng liên hệ với Tiến sĩ Dongkai Shangguan .
