[論文レビュー] Thermal measurement and modeling of multi-die packages

A. Poppe, Y. Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2007

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、4つのチップを備えた混合ラテラルおよび垂直型オプトカップラ配置を対象とし、マルチダイパッケージの熱測定およびモデル化のための構造関数ベースの手法を提示する。構造関数技術を用いて正確なジャンクションからピンへの熱抵抗を抽出し、LED や IC などの高度なパッケージング応用分野における複雑なスタック型および MCM（マルチチップモジュール）構成の妥当な熱モデル化を可能にする。

ABSTRACT

Thermal measurement and modeling of multi-die packages became a hot topic recently in different fields like RAM chip packaging or LEDs / LED assemblies, resulting in vertical (stacked) and lateral arrangement. In our present study we show results for a mixed arrangement: an opto-coupler device has been investigated with 4 chips in lateral as well as vertical arrangement. In this paper we give an overview of measurement and modeling techniques and results for stacked and MCM structures, describe our present measurement results together with our structure function based methodology of validating the detailed model of the package being studied. Also, we show how to derive junction-to-pin thermal resistances with a technique using structure functions.

研究の動機と目的

• ラテラルおよび垂直チップ配置を併せ持つ複雑なマルチダイパッケージのための熱測定およびモデル化フレームワークの開発と妥当性検証。
• LED や RAM チップに用いられるスタック型 IC や MCM などの高度なパッケージング技術における熱管理の増大する課題に対処すること。
• マルチダイ構成において構造関数技術を用いてジャンクションからピンへの熱抵抗を正確に抽出すること。
• 複数のテスト条件下でシミュレートされた構造関数と測定された関数を比較することにより、詳細な熱モデルを検証すること。

提案手法

• 熱トランスジェント測定から導出された構造関数を用いて、熱抵抗を抽出し、詳細な熱モデルを妥当性検証する。
• ラテラルおよび垂直ダイ配置を併せ持つ4チップのオプトカップラパッケージにおける熱トランスジェント測定を実施する。
• 多層フィニットエレメントモデルを用いて熱挙動をシミュレートし、実験データと比較する。
• 構造関数に基づくパrameter抽出技術を適用し、ジャンクションからピンへの熱抵抗を特定する。
• 複数のテスト条件下でシミュレートされた構造関数と測定された関数を比較することで、モデルを検証する。
• 制御された熱注入と温度センシングを備えた熱テスト構造を用いて、正確なトランジェント応答解析を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 複雑なマルチダイパッケージにおいて、構造関数はどのようにしてジャンクションからピンへの熱抵抗を効果的に抽出できるか？
• RQ2 ラテラルおよび垂直の混合マルチダイ構成における熱モデルの正確性と信頼性はいかほどか？
• RQ3 スタック型および MCM パッケージにおいて、熱トランスジェント測定とフィニットエレメントモデルの予測結果はどのように比較されるか？
• RQ4 構造関数手法は、マルチダイパッケージの詳細な熱モデルの妥当性検証において、どのような役割を果たすか？

主な発見

• 構造関数ベースの手法により、ラテラルおよび垂直配置を併せ持つ4チップのオプトカップラで、ジャンクションからピンへの熱抵抗を正確に抽出できた。
• 測定された構造関数は、シミュレートされた関数と強く一致しており、マルチダイパッケージの詳細な熱モデルの妥当性が裏付けられた。
• この手法は、スタック型およびラテラルレイアウトを含む、さまざまなダイ配置における熱挙動を捉える強靭性を示した。
• 熱抵抗値は高い精度で抽出され、高度なパッケージング応用分野における信頼性の高い熱設計を支援した。
• 本研究は、構造関数が複雑なマルチダイシステムにおけるモデル妥当性検証および熱パrameter抽出の強力なツールであることを確認した。