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.
TTC được chế tạo như thế nào?
TTC được làm từ các tấm wafer silicon (Hình 1) được sản xuất tại Hoa Kỳ có thể mô phỏng chính xác kích thước và phân phối điện không đồng đều (như điểm nóng) của một chip bán dẫn thực, với các cảm biến nhúng trên chip để đo nhiệt độ chip theo thời gian thực. TTC, là một ASIC tương tự, được tạo thành từ các ô đơn vị (Hình 2 & 3) và đầu vào điện năng và nhiệt độ của mỗi ô đơn vị có thể được định địa chỉ trực tiếp, do đó cung cấp khả năng phân phối điện có thể định cấu hình và đo nhiệt độ tại chỗ trên chip - xuống đến quy mô của một ô đơn vị.
Điện trở màng kim loại được sử dụng làm nguồn nhiệt trong ô đơn vị để có sự đồng đều và khớp tốt hơn trên toàn bộ wafer, và hệ số nhiệt độ tương đối ổn định của chúng dẫn đến sự tiêu tán công suất không đổi trong suốt quá trình đo nhiệt. Các nguồn nhiệt cũng được bố trí để tuân thủ tiêu chuẩn JEDEC JESD51-4. Điốt cảm biến nhiệt độ (TSD) được bố trí chiến lược trong TTC cho phép đo chính xác nhiệt độ của khuôn tại nhiều vị trí cùng một lúc.
Vì các ô đơn vị có thể được sắp xếp theo bất kỳ sự kết hợp nào, TTC có thể có bất kỳ kích thước nào để phù hợp với kích thước của chip thực (lên đến 50mm x 50mm hoặc lớn hơn nếu cần). TTC, với độ chính xác và độ tin cậy của các bộ gia nhiệt và cảm biến tích hợp trong mỗi ô đơn vị, có thể mô phỏng chính xác hành vi nhiệt của một chip bán dẫn thực và do đó cung cấp một công cụ tuyệt vời để phát triển đồng thời các giải pháp quản lý nhiệt trong khi một chip mới đang được phát triển (thường mất vài năm).
Sử dụng Chip Kiểm tra Nhiệt để Xây dựng Xe Thử nghiệm
Với TTC (được thiết kế để liên kết dây hoặc gắn chip lật), các phương tiện thử nghiệm nhiệt (TTV) có thể được phát triển ở nhiều định dạng đóng gói khác nhau, chẳng hạn như BGA, LGA, COB, v.v., cũng như nhiều chip trên mỗi gói (Hình 4) để mô phỏng hệ thống trong gói (SiP) thường được sử dụng trong tích hợp không đồng nhất.
Với khả năng phân phối điện có thể định cấu hình và đo nhiệt độ đồng thời trên toàn bộ chip, TTC và TTV có thể rất hữu ích cho việc mô tả đặc tính nhiệt (trạng thái ổn định và tạm thời) và đánh giá, bao gồm lập bản đồ điện và/hoặc nhiệt độ, cho các gói bán dẫn và thiết bị có thể kết hợp nhiều giải pháp quản lý nhiệt khác nhau – vật liệu giao diện nhiệt (TIM), tản nhiệt, buồng hơi, ống dẫn nhiệt, tấm lạnh, làm mát bằng chất lỏng, v.v. Chúng cũng có thể rất hữu ích để xác thực mô phỏng và lập mô hình nhiệt. Hơn nữa, chu kỳ điện có thể được thực hiện trong một thiết lập được lập trình để đánh giá hiệu suất độ tin cậy của nhiều giải pháp quản lý nhiệt khác nhau.
Chip kiểm tra nhiệt cho kính xen kẽ: Một nghiên cứu điển hình
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.
Nhìn chung, TTC và TTV sẽ có thể mô phỏng chặt chẽ các chip bán dẫn và các gói tiên tiến khi chúng phát triển – với mật độ công suất tăng lên và cấu hình đóng gói phức tạp hơn. TTC dưới dạng chip xếp chồng và chiplet trong gói 2.5D/3D hiện đang được phát triển.
