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，亟需透過創新技術手段克服相關技術難題。
這份白皮書致力於探討高溫對積體電路的影響，並提供適用於高功率的設計技術以應對這些挑戰。透過深入分析高溫產生的根源，我們旨在緩解其引發的問題，從而增強積體電路在極端條件下的穩健性並延長使用壽命，同時優化整體解決方案的成本。安森美（onsemi）Treo 平台提供了完整的產品開發生態系統，專門設計用於支援高溫運行。本文為第一篇，將重點介紹工作溫度，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運作的溫度範圍。具體的工作溫度範圍是根據其應用和行業來定義的（圖 1a）。
例如，對於汽車 IC 而言，溫度範圍取決於電子元件的安裝位置。如果位於乘客艙內，溫度範圍最高可達 85°C。如果位於底盤或引擎艙內，但不直接位於引擎上，則溫度範圍最高可達 125°C。靠近或直接位於引擎或變速箱附近，溫度範圍可達 150°C 或 160°C。在靠近煞車或液壓系統的底盤區域，溫度最高可達 175°C。這些對高溫的要求適用於內燃機汽車，同時也適用於混合動力和全電動汽車。
當汽車引擎運轉時，主動冷卻系統會有效控制溫度。然而，在最極端的情況下，例如車輛行駛後停放在酷熱環境中，此時主動冷卻系統停止運作，引擎及其他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運作。
對於適中的溫度條件，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，對於像 175°C 這樣的高溫，使用 bulk CMOS 工藝實際上是無法實現的。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，常採用熱曲線圖來取代固定的靜態溫度規範，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運行（圖 1b）。
圖 1. 不同應用的溫度範圍及溫度曲線示例
將電子元件佈置在更靠近應用的高溫區域，透過減少噪音和干擾可以提高感測器的精準度和解析度。對於大功率應用，盡量減少大電流開關迴路可降低干擾。採用局部閉環控制系統可減輕重量並提升性能。然而，縮小模組尺寸會因功率密度提高及散熱問題而增加電子元件的溫度。
結溫
IC 在工作時會產生功耗，導致 IC 內部的實際半導體結溫高於環境溫度。溫度的升高取決於 IC 內部消耗的功率以及晶片與環境之間的熱阻。這種熱阻取決於封裝類型、PCB、散熱片等（見圖 2）。
圖 2. 結溫升高
對於功率開關、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，用於汽車電池驅動模組）或感測器執行器來說，裸晶高功耗是無法避免的。
熱阻取決於封裝類型和熱管理方式（圖 3）。對於常見的小型封裝，從晶片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，從晶片到環境的熱阻可能高達每瓦數百開爾文。
圖3. 不同封裝類型IC散熱範例
結溫在 IC 的整個裸晶上並不是均勻一致的。可能存在如功率驅動器等高功耗區域。具有高功率驅動器的 IC 裸晶溫度圖示例請參見圖 4。
圖 4. IC熱分布圖示例
註：文章引用onsemi公眾號公開文章「高溫IC設計必懂基礎知識：環境溫度和結溫」，原網站：高溫IC設計必懂基礎知識：環境溫度和結溫
了解更多內容請造訪以上原網站及onsemi官方網站智慧電源與感測技術 | onsemi
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