【導讀】在汽車(chē)引擎艙的200℃熱浪中，或在深地鉆探設備的極限工況下，集成電路（IC）的‘心臟’——半導體結溫正面臨前所未有的挑戰。環(huán)境溫度與結溫的差值每擴大10℃，芯片壽命可能縮短一半。安森美（onsemi）的Treo平臺的創(chuàng )新設計證明：通過(guò)材料革新（如SiC/GaN）與動(dòng)態(tài)熱管理，高溫IC的可靠性可提升3倍以上。本文將揭示環(huán)境溫度如何‘傳導’為結溫危機，并拆解工業(yè)級解決方案的底層邏輯。
在汽車(chē)引擎艙的200℃熱浪中，或在深地鉆探設備的極限工況下，集成電路（IC）的‘心臟’——半導體結溫正面臨前所未有的挑戰。環(huán)境溫度與結溫的差值每擴大10℃，芯片壽命可能縮短一半。安森美（onsemi）的Treo平臺的創(chuàng )新設計證明：通過(guò)材料革新（如SiC/GaN）與動(dòng)態(tài)熱管理，高溫IC的可靠性可提升3倍以上。本文將揭示環(huán)境溫度如何‘傳導’為結溫危機，并拆解工業(yè)級解決方案的底層邏輯。
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）。
圖 1. 不同應用的溫度范圍及溫度曲線(xiàn)示例
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）。
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
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