【導(dǎo)讀】在汽車引擎艙的200℃熱浪中，或在深地鉆探設(shè)備的極限工況下，集成電路（IC）的‘心臟’——半導(dǎo)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(kuò)大10℃，芯片壽命可能縮短一半。安森美（onsemi）的Treo平臺(tái)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)證明：通過材料革新（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(dǎo)’為結(jié)溫危機(jī)，并拆解工業(yè)級(jí)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(shè)備的極限工況下，集成電路（IC）的‘心臟’——半導(dǎo)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(kuò)大10℃，芯片壽命可能縮短一半。安森美（onsemi）的Treo平臺(tái)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)證明：通過材料革新（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(dǎo)’為結(jié)溫危機(jī)，并拆解工業(yè)級(jí)解決方案的底層邏輯。
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)來定義的（圖 1a）。
圖 1. 不同應(yīng)用的溫度范圍及溫度曲線示例
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?？拷蛑苯游挥诎l(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）。
將電子元件布置在更靠近應(yīng)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(duì)于大功率應(yīng)用，盡量減少大電流開關(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（見圖 2）。
圖 2. 結(jié)溫升高
對(duì)于功率開關(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(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 裸片溫度圖示例見圖 4。
圖 4. IC熱分布圖示例
推薦閱讀：
模擬芯片原理、應(yīng)用場(chǎng)景及行業(yè)現(xiàn)狀全面解析
GaN如何攻克信號(hào)鏈隔離難題？五大性能優(yōu)勢(shì)與典型場(chǎng)景全揭秘
隔離式精密信號(hào)鏈在不同場(chǎng)景數(shù)據(jù)采集的選型指南與設(shè)計(jì)實(shí)踐
