高溫IC設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)筆記之環(huán)境溫度和結(jié)溫

隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，商業(yè)、工業(yè)、軍事及汽車等領(lǐng)域?qū)δ透邷?a href="http://www.wenjunhu.com/v/tag/123/" target="_blank">集成電路（IC）的需求持續(xù)攀升?。高溫環(huán)境會(huì)嚴(yán)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(duì)集成電路的影響，并提供適用于高功率的設(shè)計(jì)技術(shù)以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。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(qiáng)集成電路在極端條件下的穩(wěn)健性并延長(zhǎng)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(tái)提供了全面的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)生態(tài)系統(tǒng)，專為支持高溫運(yùn)行而設(shè)計(jì)。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(jié)溫等。

環(huán)境溫度

IC 及所有電子設(shè)備的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)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(jù)其應(yīng)用和行業(yè)來(lái)定義的（圖 1a）。

例如，對(duì)于汽車 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(nèi)，溫度范圍最高可達(dá) 85°C。如果位于底盤或發(fā)動(dòng)機(jī)艙內(nèi)，但不直接位于發(fā)動(dòng)機(jī)上，則溫度范圍最高可達(dá) 125°C。靠近或直接位于發(fā)動(dòng)機(jī)或變速箱附近，溫度范圍可達(dá) 150°C 或 160°C。在靠近剎車或液壓系統(tǒng)的底盤區(qū)域，溫度最高可達(dá) 175℃。這些對(duì)高溫的要求適用于內(nèi)燃機(jī)汽車，同時(shí)也適用于混動(dòng)和全電動(dòng)汽車。

當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，主動(dòng)冷卻系統(tǒng)會(huì)有效控制溫度。然而，在最極端的情況下，如車輛行駛后停放在酷熱環(huán)境中，此時(shí)主動(dòng)冷卻系統(tǒng)停止工作，發(fā)動(dòng)機(jī)及其它部件的熱量逐漸擴(kuò)散，導(dǎo)致電子設(shè)備溫度上升。即便如此，當(dāng)汽車再次啟動(dòng)時(shí)，所有系統(tǒng)仍需在溫度升高的條件下保持正常工作。

對(duì)于適中的溫度條件，可以定義 IC 在靜態(tài)工作溫度下的預(yù)期使用壽命。例如，在 125°C 的條件下可以連續(xù)工作 10 年。然而，對(duì)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(xiàn)的。通常，IC 不需要在其整個(gè)生命周期內(nèi)都以最高溫度運(yùn)行。在汽車行業(yè)，常采用熱曲線圖來(lái)替代固定的靜態(tài)溫度規(guī)范，將整個(gè)使用壽命劃分為不同的工作模式和溫度區(qū)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(yīng)用的溫度范圍及溫度曲線示例

將電子元件布置在更靠近應(yīng)用的高溫區(qū)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(duì)于大功率應(yīng)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(tǒng)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(jié)溫

IC 工作時(shí)會(huì)有功耗，導(dǎo)致 IC 內(nèi)部的實(shí)際半導(dǎo)體結(jié)溫高于環(huán)境溫度。溫度的升高取決于 IC 內(nèi)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型、PCB、散熱片等（見(jiàn)圖 2）。

圖 2. 結(jié)溫升高

對(duì)于功率開(kāi)關(guān)、功率驅(qū)動(dòng)器、DC-DC 轉(zhuǎn)換器、具有高壓降的線性穩(wěn)壓器（例如，在使用 DC-DC 轉(zhuǎn)換器不經(jīng)濟(jì)的情況下，用于汽車電池驅(qū)動(dòng)模塊）或傳感器執(zhí)行器來(lái)說(shuō)，裸片高功耗是不可避免的。

熱阻取決于封裝類型和熱管理方式（圖 3）。對(duì)于常用的小型封裝，結(jié)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(yīng)用中，結(jié)至環(huán)境的熱阻可達(dá)每瓦數(shù)百開(kāi)爾文。

圖3. 不同封裝類型IC散熱示例

結(jié)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?qū)動(dòng)器等高功耗區(qū)。具有高功率驅(qū)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(xù)，后續(xù)推文將介紹高結(jié)溫帶來(lái)的挑戰(zhàn)、IC的高溫設(shè)計(jì)、高溫設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)等。