高溫IC設計必懂基礎知識：環境溫度和結溫

隨著技術的飛速發展，商業、工業、軍事及汽車等領域對耐高溫集成電路（IC）的需求持續攀升?。高溫環境會嚴重制約集成電路的性能、可靠性和安全性，亟需通過創新技術手段攻克相關技術難題?。

這份白皮書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以應對這些挑戰。通過深入分析高溫產生的根源，我們旨在緩解其引發的問題，從而增強集成電路在極端條件下的穩健性并延長使用壽命，同時優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品開發生態系統，專為支持高溫運行而設計。 本文為第一篇，將重點介紹介紹工作溫度，包括環境溫度和結溫等。

環境溫度

IC 及所有電子設備的一個關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來定義的（圖 1a）。

例如，對于汽車 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，溫度范圍最高可達 85°C。如果位于底盤或發動機艙內，但不直接位于發動機上，則溫度范圍最高可達 125°C。靠近或直接位于發動機或變速箱附近，溫度范圍可達 150°C 或 160°C。在靠近剎車或液壓系統的底盤區域，溫度最高可達 175℃。這些對高溫的要求適用于內燃機汽車，同時也適用于混動和全電動汽車。

當汽車發動機運行時，主動冷卻系統會有效控制溫度。然而，在最極端的情況下，如車輛行駛后停放在酷熱環境中，此時主動冷卻系統停止工作，發動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，當汽車再次啟動時，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 工藝實際上是不能實現的。通常，IC 不需要在其整個生命周期內都以最高溫度運行。在汽車行業，常采用熱曲線圖來替代固定的靜態溫度規范，將整個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示例

將電子元件布置在更靠近應用的高溫區域，通過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，盡量減少大電流開關回路可減少干擾。采用局部閉環控制系統可減輕重量并提高性能。然而，縮小模塊尺寸會因功率密度提高和散熱問題而增加電子元件的溫度。

結溫

IC 工作時會有功耗，導致 IC 內部的實際半導體結溫高于環境溫度。溫度的升高取決于 IC 內部耗散的功率以及裸片與環境之間的熱阻。這種熱阻取決于封裝類型、PCB、散熱片等（見圖 2）。

圖 2. 結溫升高

對于功率開關、功率驅動器、DC-DC 轉換器、具有高壓降的線性穩壓器（例如，在使用 DC-DC 轉換器不經濟的情況下，用于汽車電池驅動模塊）或傳感器執行器來說，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）。對于常用的小型封裝，結到外部環境的熱阻大約為 50-90K/W（SOIC 封裝），以及大約 30-60K/W（QFP 封裝）。在某些應用中，結至環境的熱阻可達每瓦數百開爾文。

圖3. 不同封裝類型IC散熱示例

結溫在 IC 的整個裸片上并不是均勻一致的。可能存在如功率驅動器等高功耗區。具有高功率驅動器的 IC 裸片溫度圖示例見圖 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的挑戰、IC的高溫設計、高溫設計的優勢等。