Title: Optimization for enhanced thermal technology CAD purposes
Language: English
Authors: Holzer, Stefan 
Qualification level: Doctoral
Advisor: Grasser, Tibor
Assisting Advisor: Schichl, Hermann 
Issue Date: 2007
Citation: 
Holzer, S. (2007). Optimization for enhanced thermal technology CAD purposes [Dissertation]. reposiTUm. https://doi.org/10.34726/hss.2007.8993
Number of Pages: 154
Qualification level: Doctoral
Abstract: 
Die Mikroelektronik hat mittlerweile einen Stand erreicht, in dem aufgrund der Strukturgröße quanatenmechanische Effekte auf der einen Seite und thermische und mechanische Effekte auf der anderen Seite, immer mehr an Bedeutung gewinnen.
Aufgrund der immer kleiner werdenden Halbleiterbauelemente können immer mehr Bauelemente pro Flächeneinheit auf dem Halbleiterchip intergriert werden, um hoch komplexe Aufgaben noch effizienter bewältigen zu können.
Die hohe Intergrationsdichte der Halbleiterbauelemente birgt aber auch neue Herausforderungen in sich, für das Design, den Betrieb und die Zuverlässigkeit dieser Bauelemente.
Während sich die Integrationsdichte der Bauelemente pro Chip in achtzehn Monate im Durchschnitt verdoppelt, wächst die auftretende Leistungsdichte exponentiell im selben Zeitintervall und damit auch die thermische Belastung der Bauteile. Darum ist es notwendig, diese hochperformanten Halbleiterbauelemente noch stärker als bisher zu kühlen.
Um diesen Effekten vorbeugen zu können ist es notwendig, die thermischen Effekte einerseits besser zu verstehen und andererseits diese Effekte und deren Auswirkungen durch Simulation schon in der Entwicklungsphase aufzuzeigen.
Dadurch ist es möglich mittels Optimierungsverfahren die Bauteile für bestimmte Betriebsbedingungen optimal zu entwickeln.
Eine Kopplung der Simulation von elektrischen und thermischen Effekten gewinnt daher zunehmend an Bedeutung. Für sehr kleine Strukturgrößen der Bauelemente ist es von außerordentlicher Wichtigkeit, mechanische Aspekte in den Untersuchungen mitzuberücksichtigen, da diese Effekte erheblichen Einfluß auf die Zuverlässigkeit haben.
Thermische und mechanische Belastungen haben erheblichen Einfluß sowohl auf die elektrischen Eigenschaften als auch auf die Zuverlässigkeit der Halbleiterbauelemente. Daher ist es unumgänglich, die Halbleiterbauelemente für ihren Einsatz zu optimieren.
Dafür ist aber notwendig die Materialeigenschaften auf das genaueste zu bestimmen, damit ein Optimum der Bauteilcharakteristik erreicht werden kann.
Diese Arbeit zeigt außerdem wie anhand einfacher transienten elektrischen Messungen und ausgeklügelten Optimierungemethoden wichtige elektrische und thermische Materialparameter identifiziert werden können ohne teure und zeitintensive chalorische Meßmethoden anwenden zu müssen.
Im Anschluß daran werden die identifizierten Materialparameter in komplizierteren Verbindungsstrukturen Anwendung finden um genauere Resultate zu liefern. Diese Daten sind erforderlich um die transiente Temperaturentwicklung zu beschreiben und um damit die mechanischen Belastungen berechnen und im Vorfeld abschätzen zu können.

In the present phase of development, microelectronics has reached a state in which, because of the diminutive size of structures, quantum mechanical effects on the one hand side, and thermal and mechanical effects on the other hand side, gain increasing significance. As a result of the ever-shrinking size of the semiconductor devices, more and more components per given chip area can be integrated for the purpose of handling highly complex tasks more efficiently. This high integration density of semiconductor components entails new challenges for their design, operation, and reliability. While -- on the average -- over a period of eighteen months the density of integration of components per chip doubles, over the same span of time the resulting power-loss density keeps growing exponentially -- and, concurrently, resulting a dramatic increase in the thermal load on the components.
Consequently, it becomes essential to provide considerably better cooling for these high-performance semiconductor devices than for traditional components of the same type.
In order to deal with these effects, a deepened insight into thermal effects and developments is required, while in addition, these effects and their consequences should be rigorously considered by an effective simulation software tool already in the development phase.
This way, by the use of suitable optimizing strategies, the components involved can be optimally designed to meet specific operating conditions. As a result, effectively combining the simulation of electrical and thermal effects will be a task of ever increasing importance. Furthermore, for components of such diminutive size, it will become essential to also include mechanical aspects into relevant investigations and research, since particularly these effects are of considerable relevance for reliability.
Since both thermal and mechanical loads have significant bearing on the electrical properties as well as on the reliability of semiconductor components, it becomes a must to optimize them for their intended specific use. An absolute requirement for this is determining material properties with utmost precision, so that characteristics of critical components can be optimized for their specific purpose.
Furthermore, this dissertation is to demonstrate how -- by means of simple transient electrical measurements and sophisticated optimizing strategies -- important electrical and thermal material parameters can be identified without taking recourse to costly and time-consuming caloric measuring procedures.
Subsequently, material parameters thus identified find use in complex compound structures in order to provide the even more precise results that are required for describing the transient temperature developments, and thus being able to calculate the resulting mechanical loads.
Keywords: TCAD; Technologie CAD; elektrothermische Simulation; transiente Simulation; thermische Materialmodelle; Thermodynamik
TCAD; Technology CAD; electro-thermal simulation; transient simulation; thermal material models; thermodynamics
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-14707
http://hdl.handle.net/20.500.12708/14168
DOI: 10.34726/hss.2007.8993
Library ID: AC05034940
Organisation: E360 - Institut für Mikroelektronik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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