滿(mǎn)足汽車(chē)高溫應用環(huán)境要求的傳感器接口IC

現代汽車(chē)中傳感器的數量近年來(lái)快速增長(cháng)，因為汽車(chē)制造商希望改善對關(guān)鍵的汽車(chē)動(dòng)力總成、穩定性和安全應用的監測和反饋。這些傳感器當中的許多?特別是在引擎蓋中的那些?必須具有在極高工作溫度下工作的魯棒性和可靠性。為了應對這些挑戰，最新的混合信號半導體工藝使人們能夠制成針對嚴酷的汽車(chē)電子溫度的集成傳感器接口IC，以極大地簡(jiǎn)化傳感器應用的實(shí)現。

汽車(chē)電子的設計是為了滿(mǎn)足消費者對更高安全性、保密性和舒適性的需求，因而刺激了汽車(chē)傳感器市場(chǎng)的增長(cháng)。此外，為了從功能上順從政府法規對氣囊或被動(dòng)安全的新要求，傳感器也是必不可少的。進(jìn)一步說(shuō)，根據最近的研究，汽車(chē)中傳感器的數量從現在到2010年間的增長(cháng)率有望達到45%。

傳感器接口

車(chē)載傳感器的增長(cháng)正在點(diǎn)燃了對其周?chē)?chē)電子的需求，在此，從本質(zhì)上看，主要問(wèn)題是傳感器利用各種電子特征如電阻和電容來(lái)測量模擬信號，包括溫度、壓力、速度、加速度和氣體濃度。然而，對傳感器進(jìn)行解釋和對信息作出反應的主微控制器(MCU)可能需要數字信號輸入。因此，在傳感器和MCU之間需要信號調理電路，該電路捕獲傳感器的模擬信號，對其進(jìn)行濾波、放大并轉換為可由微控制器解釋的數字信號。近年來(lái)，這種電路越來(lái)越多地采用傳感器接口IC或SI2C。

車(chē)載傳感器的增長(cháng)刺激了對SI2C的需求，可是，在這些應用中配置的典型微控制器能力有限，難以管理來(lái)自各種傳感器的所有信號。隨著(zhù)汽車(chē)控制器數量的增加，分布式智能應運而生，其中的處理和管理開(kāi)銷(xiāo)都被委派給傳感器接口IC。

與此同時(shí)，空間約束限制了電路的SI2C單元的物理尺寸。然而，現在功能、性能和空間問(wèn)題可以通過(guò)應用智能的混合信號半導體技術(shù)加以解決，從而讓所有汽車(chē)模塊的功能被集成到單片IC之中。

將應用功能集成到一顆芯片上，就容許該類(lèi)芯片直接放置在它們管理的傳感器附近。相距較近意味著(zhù)汽車(chē)中需要較短的電纜?僅僅需要在模塊之間運載信息的車(chē)載網(wǎng)絡(luò )總線(xiàn)的電纜?？s短了電纜，車(chē)重也相應地減輕，這就是標準車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)勢之一，它進(jìn)一步降低燃油消耗和有害物質(zhì)的排放。與傳統的、采用分立元件的、較大的模塊方案相比，其缺點(diǎn)是SI2C與傳感器太接近，常常意味著(zhù)接口IC要暴露在嚴酷得多的環(huán)境之中。

例如，從溫度的觀(guān)點(diǎn)看，該IC可能暴露于比常溫??40到125C汽車(chē)標準的環(huán)境溫度?更高的使用環(huán)境之中。在此，記住一點(diǎn)很重要：對半導體器件的關(guān)鍵考慮是處理節溫而不是環(huán)境溫度的能力。芯片與環(huán)境溫度之間的差異被稱(chēng)為耗散溫度，典型的變化范圍是15到25C。這意味著(zhù)最大汽車(chē)工作溫度額定為140C，相當于器件的最大工作節溫為165C。

此外，最近第一層汽車(chē)供應商的研究表明，排氣系統附近的環(huán)境溫度在175C以上，配置在該區域的芯片的相應節溫甚至更高(見(jiàn)下圖)。因此，汽車(chē)SI2C半導體的設計工程師必須采用較為復雜的開(kāi)發(fā)方法，因為要監測電路的熱耗散以防止在峰值溫度工作期間芯片過(guò)熱。

復雜的依賴(lài)關(guān)系

下面舉例說(shuō)明高溫的復雜性對集成電路的影響。在整個(gè)應用的溫度范圍內，可以看到非易失性存儲器(NVM)單元的門(mén)限電壓的數值對溫度的依賴(lài)關(guān)系。顯然，在設計電路的時(shí)候，考慮該溫度依賴(lài)關(guān)系是很重要的。在SI2C電路設計完成之前，要創(chuàng )建晶體管和其它元件的模型，以便讓工程師仿真整個(gè)電路在工作溫度范圍內的行為。

除了要配合設計過(guò)程，半導體可靠性工程師必須使其資格認證步驟適應溫度應用的要求。如下圖所示為清晰的溫度曲線(xiàn)，必須將它提供給用戶(hù)以便于建立特種IC資格認證計劃。

峰值溫度條件常常出現在車(chē)輛的有效生命周期剩下不到10%的期間，對于在最大工作環(huán)境溫度方面執行的1,000小時(shí)慣例壽命測試(的結果)接近完好。不過(guò)，有時(shí)需要對較高溫度進(jìn)行更長(cháng)時(shí)間的測試，而且，作為IC資格認證過(guò)程的組成部分，要詳細說(shuō)明延長(cháng)工作壽命測試壓力的精確特性。

其它要關(guān)心的問(wèn)題還有跟溫度相關(guān)的電遷移效應。電遷移來(lái)自傳導電子和擴散金屬原子之間的動(dòng)量交換，且對平均故障時(shí)間有直接影響。在IC中，電通過(guò)直接與有效散熱器接觸的薄膜條傳導，因為大多數電流產(chǎn)生的熱被傳導到芯片之中，薄膜導體可以承受的電流密度高達1mA/cm2。在這樣的電流密度，電遷移很大。初始解決方案包括采用含銅高達4%的合金鋁來(lái)提高金屬導體對電遷移的抵抗力。這種設計出現了變化，應歸于工藝上的考慮，但是，現在合金鋁中通常仍然要用采用0.5%的銅。

制造條件

當然，不僅僅是芯片要承受高工作溫度的影響，整個(gè)電路板必須在最壞條件下工作可靠。盡管采用SI2C可以減少元件和互連的數量，但是在電路板上不同的元件之間仍然存在互連。這些連接自然要可靠。因此，最近開(kāi)始采用錫銀銅(SnAgCu)合金無(wú)鉛焊；在150C以上，推薦采用銀銅鉍(SnAgCuBi)替代傳統的錫鉛焊(SnPb)。因此，必須根據汽車(chē)環(huán)境對振動(dòng)、噪聲和溫度的要求，來(lái)設計電路板和元器件的制造工藝技術(shù)。