【導讀】在汽車引擎艙的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(jié)溫正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。環(huán)境溫度與結(jié)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：通過材料革新（如SiC/GaN）與動態(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(jié)溫危機，并拆解工業(yè)級解決方案的底層邏輯。
在汽車引擎艙的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(jié)溫正面臨前所未有的挑戰(zhàn)。環(huán)境溫度與結(jié)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：通過材料革新（如SiC/GaN）與動態(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(jié)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關鍵參數(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)其應用和行業(yè)來定義的（圖 1a）。
圖 1. 不同應用的溫度范圍及溫度曲線示例
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(nèi)，溫度范圍最高可達 85°C。如果位于底盤或發(fā)動機艙內(nèi)，但不直接位于發(fā)動機上，則溫度范圍最高可達 125°C。靠近或直接位于發(fā)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(tǒng)的底盤區(qū)域，溫度最高可達 175℃。這些對高溫的要求適用于內(nèi)燃機汽車，同時也適用于混動和全電動汽車。
當汽車發(fā)動機運行時，主動冷卻系統(tǒng)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(huán)境中，此時主動冷卻系統(tǒng)停止工作，發(fā)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(tǒng)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(xù)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(xiàn)的。通常，IC 不需要在其整個生命周期內(nèi)都以最高溫度運行。在汽車行業(yè)，常采用熱曲線圖來替代固定的靜態(tài)溫度規(guī)范，將整個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(qū)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(huán)控制系統(tǒng)可減輕重量并提高性能。然而，縮小模塊尺寸會因功率密度提高和散熱問題而增加電子元件的溫度。
結(jié)溫
IC 工作時會有功耗，導致 IC 內(nèi)部的實際半導體結(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（見圖 2）。
圖 2. 結(jié)溫升高
對于功率開關、功率驅(qū)動器、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)濟的情況下，用于汽車電池驅(qū)動模塊）或傳感器執(zhí)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(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）。在某些應用中，結(jié)至環(huán)境的熱阻可達每瓦數(shù)百開爾文。
圖3. 不同封裝類型IC散熱示例
結(jié)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(qū)動器等高功耗區(qū)。具有高功率驅(qū)動器的 IC 裸片溫度圖示例見圖 4。
圖 4. IC熱分布圖示例
推薦閱讀：
模擬芯片原理、應用場景及行業(yè)現(xiàn)狀全面解析
GaN如何攻克信號鏈隔離難題？五大性能優(yōu)勢與典型場景全揭秘
隔離式精密信號鏈在不同場景數(shù)據(jù)采集的選型指南與設計實踐
