高溫IC設計必懂基礎知識：環(huán)境溫度和結溫

隨著(zhù)技術(shù)的飛速發(fā)展，商業(yè)、工業(yè)、軍事及汽車(chē)等領(lǐng)域對耐高溫集成電路（IC）的需求持續攀升?。高溫環(huán)境會(huì )嚴重制約集成電路的性能、可靠性和安全性，亟需通過(guò)創(chuàng )新技術(shù)手段攻克相關(guān)技術(shù)難題?。

這份白皮書(shū)致力于探討高溫對集成電路的影響，并提供適用于高功率的設計技術(shù)以應對這些挑戰。通過(guò)深入分析高溫產(chǎn)生的根源，我們旨在緩解其引發(fā)的問(wèn)題，從而增強集成電路在極端條件下的穩健性并延長(cháng)使用壽命，同時(shí)優(yōu)化整體解決方案的成本。 安森美（onsemi） 的 Treo 平臺提供了全面的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生態(tài)系統，專(zhuān)為支持高溫運行而設計。 本文為第一篇，將重點(diǎn)介紹介紹工作溫度，包括環(huán)境溫度和結溫等。

環(huán)境溫度

IC 及所有電子設備的一個(gè)關(guān)鍵參數是其能夠可靠工作的溫度范圍。具體的工作溫度范圍是根據其應用和行業(yè)來(lái)定義的（圖 1a）。

例如，對于汽車(chē) IC 而言，溫度范圍取決于電子元件的安裝位置。如果位于乘員艙內，溫度范圍最高可達 85°C。如果位于底盤(pán)或發(fā)動(dòng)機艙內，但不直接位于發(fā)動(dòng)機上，則溫度范圍最高可達 125°C?？拷蛑苯游挥诎l(fā)動(dòng)機或變速箱附近，溫度范圍可達 150°C 或 160°C。在靠近剎車(chē)或液壓系統的底盤(pán)區域，溫度最高可達 175℃。這些對高溫的要求適用于內燃機汽車(chē)，同時(shí)也適用于混動(dòng)和全電動(dòng)汽車(chē)。

當汽車(chē)發(fā)動(dòng)機運行時(shí)，主動(dòng)冷卻系統會(huì )有效控制溫度。然而，在最極端的情況下，如車(chē)輛行駛后停放在酷熱環(huán)境中，此時(shí)主動(dòng)冷卻系統停止工作，發(fā)動(dòng)機及其它部件的熱量逐漸擴散，導致電子設備溫度上升。即便如此，當汽車(chē)再次啟動(dòng)時(shí)，所有系統仍需在溫度升高的條件下保持正常工作。

對于適中的溫度條件，可以定義 IC 在靜態(tài)工作溫度下的預期使用壽命。例如，在 125°C 的條件下可以連續工作 10 年。然而，對于像 175°C 這樣的高溫，使用 bulk CMOS 工藝實(shí)際上是不能實(shí)現的。通常，IC 不需要在其整個(gè)生命周期內都以最高溫度運行。在汽車(chē)行業(yè)，常采用熱曲線(xiàn)圖來(lái)替代固定的靜態(tài)溫度規范，將整個(gè)使用壽命劃分為不同的工作模式和溫度區間（段），只有一小部分時(shí)間需要在極高溫度下工作（圖 1b）。

圖 1. 不同應用的溫度范圍及溫度曲線(xiàn)示例

將電子元件布置在更靠近應用的高溫區域，通過(guò)減少噪音和干擾可以提高傳感器的精度和分辨率。對于大功率應用，盡量減少大電流開(kāi)關(guān)回路可減少干擾。采用局部閉環(huán)控制系統可減輕重量并提高性能。然而，縮小模塊尺寸會(huì )因功率密度提高和散熱問(wèn)題而增加電子元件的溫度。

結溫

IC 工作時(shí)會(huì )有功耗，導致 IC 內部的實(shí)際半導體結溫高于環(huán)境溫度。溫度的升高取決于 IC 內部耗散的功率以及裸片與環(huán)境之間的熱阻。這種熱阻取決于封裝類(lèi)型、PCB、散熱片等（見(jiàn)圖 2）。

圖 2. 結溫升高

對于功率開(kāi)關(guān)、功率驅動(dòng)器、DC-DC 轉換器、具有高壓降的線(xiàn)性穩壓器（例如，在使用 DC-DC 轉換器不經(jīng)濟的情況下，用于汽車(chē)電池驅動(dòng)模塊）或傳感器執行器來(lái)說(shuō)，裸片高功耗是不可避免的。

熱阻取決于封裝類(lèi)型和熱管理方式（圖 3）。對于常用的小型封裝，結到外部環(huán)境的熱阻大約為 50-90K/W（SOIC 封裝），以及大約 30-60K/W（QFP 封裝）。在某些應用中，結至環(huán)境的熱阻可達每瓦數百開(kāi)爾文。

圖3. 不同封裝類(lèi)型IC散熱示例

結溫在 IC 的整個(gè)裸片上并不是均勻一致的?？赡艽嬖谌绻β黍寗?dòng)器等高功耗區。具有高功率驅動(dòng)器的 IC 裸片溫度圖示例見(jiàn)圖 4。

圖 4. IC熱分布圖示例

未完待續，后續推文將介紹高結溫帶來(lái)的挑戰、IC的高溫設計、高溫設計的優(yōu)勢等。