众所周知，随着功率密度的增加和半导体封装结构的复杂化，寻找热管理解决方案正成为半导体行业一个越来越重要但也越来越具有挑战性的问题。随着半导体器件功率密度的增加和结温的升高，热耗散往往是一个非常令人担忧的问题，这会对半导体器件的性能和可靠性产生不利影响。
开发热管理解决方案需要有效的工具和能力，以确保半导体器件的性能不会受到不良热性能的不利影响。计算机模拟和物理热测试都发挥着重要作用。
计算机仿真可以评估不同的设计方案，进行敏感性分析，并帮助设计人员从多种方案中选择最佳解决方案，而无需制造实际原型。这在新产品（如半导体器件）的早期开发中非常有用，可大大加快产品开发速度。计算机仿真的优势显而易见，因此多年来，计算机仿真已被广泛用作半导体器件产品开发的工具。
然而，这并不是说计算机模拟可以完全取代物理测量和测试，因为计算机模拟通常存在几个非常重要的局限性。首先，计算机建模总是需要做出一定数量的假设--关于边界条件、环境条件、材料特性等。通常情况下，必须对复杂的结构进行简化，尤其是当半导体封装结构变得越来越复杂时。异质集成使这些问题更具挑战性，因为在单个封装中通常会涉及大量不同的材料、互连和接口--这些都是半导体封装热性能本地生态系统中非常重要的元素。
此外，计算机建模通常处理的是静态问题，而实际问题总是动态的。例如，材料特性，如热界面材料（TIMs），在环境条件下会随着时间的推移而变化。在热负荷和机械负荷的作用下，可能会出现抽空现象。计算机模拟通常很难精确考虑所有这些变化。此外，芯片、散热器、TIM 等结构中的各种元素也存在不均匀性，因此很难在计算机模拟中精确考虑所有这些现实生活中的不均匀条件。
非常重要的是，封装结构中各种元件和材料（如芯片、TIM 和散热器）之间的界面在散热方面起着重要作用，但却很难精确表征热阻，计算机建模往往需要对这些复杂的封装结构进行简化。现实生活中的功能半导体器件的热行为也是非常动态的，尤其是当存在交互影响时，例如材料特性与器件温度之间的交互影响，而材料特性会直接影响器件温度；这些动态和交互现象是计算机建模难以精确捕捉的。
在现实生活中，失效模式和性能下降机制往往十分复杂，而计算机建模通常只关注少数已知的失效模式。对于特定的半导体封装，不可预见的失效模式有时会带来重大风险。因此，始终需要进行物理测试来进行验证。
当然，热测量和测试也有其自身的挑战--特别是当测试需要在实际半导体器件开发和制造之前进行时（这可能需要数年时间）。行业惯例是在开发芯片的同时开发热管理解决方案，这就需要进行热测量和测试。热测试芯片 (TTC) 和热测试车 (TTV) 在这种并行环境中发挥着重要作用（图 1 和图 2）。
TTC 必须能够接近芯片的功率输入和功率密度分布（通常是不均匀的），同时实时准确地感知整个芯片的温度分布（使用集成传感器）（分辨率低至 1mmx1mm）。
有趣的是，由于 TTC 小到只有1 平方毫米，因此对于模拟先进半导体器件芯片的热性能非常有用。
由封装 TTC 组成的 TTV 必须配置为代表预期的封装结构，并使用实际的 TIM、散热器和其他会影响整个系统散热和热性能的实际元件来构建和制造。在比较其他热管理解决方案时，必须严格遵守 JEDEC JESD51 系列标准等行业标准。TTV 还可针对特定应用构建实际封装结构，这种结构通常与标准中定义的封装结构不同（而且更复杂）。因此，TTV 可以有许多具体种类（图 3）。
热负载板 (TLB) 是系统级热管理设计工具，用于同时设计电子系统的机械、电气和热方面（图 5）。TLB 通常是定制设计，利用电阻式和 TTC 热源模拟器 (HSS) 对实际热负荷条件进行近似物理模拟。
这些工具对于鉴定半导体器件和封装的热性能非常有用。通过使用 TTC 和 TTV，并在实际环境（如电源输入、环境条件、气流等）中进行热测量和测试，可以对芯片上的空间和时间温度分布（包括热点）进行表征，对整个封装的热性能进行评估，对各种封装设计、TIM、散热器等进行评估，并对计算机建模进行校准和验证。
总的来说，我们在半导体器件产品开发方面的目标是 "优化设计"--而不是过度设计（影响成本、尺寸、重量和 TTM）或设计不足（影响可靠性和产品性能）。实现这一目标的唯一途径是有效利用计算机模拟（"数字孪生"），同时进行热测量和测试--利用 "物理模拟"（"物理孪生"）。
如需更多信息，请联系上官东凯博士。
