【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平臺的創(chuàng)新設(shè)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(dǎo)’為結(jié)溫危機(jī),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(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平臺的創(chuàng)新設(shè)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(dǎo)’為結(jié)溫危機(jī),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(shè)備的一個關(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)動機(jī)艙內(nèi),但不直接位于發(fā)動機(jī)上,則溫度范圍最高可達(dá) 125°C??拷蛑苯游挥诎l(fā)動機(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℃。這些對高溫的要求適用于內(nèi)燃機(jī)汽車,同時也適用于混動和全電動汽車。
當(dāng)汽車發(fā)動機(jī)運(yùn)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(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(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(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(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(dǎo)致 IC 內(nèi)部的實際半導(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
對于功率開關(guān)、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(jì)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(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
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