超越125°C！解锁175°C以上稳定运行的安森美耐高温方案

【导读】随着前沿技术向更高温领域进军，汽车、工业、军事及能源等行业对耐高温集成电路（IC）的需求急剧攀升。 然而，极端高温环境如同无形的枷锁，严重制约着芯片的性能表现、长期可靠性与系统安全边界。要突破这一瓶颈，必须直面高温产生的根源——从环境热负载到器件自身的功耗发热——并进行系统性优化。安森美（onsemi）的 Treo™ 平台正是为此而生，它构建了一个端到端的产品开发生态系统，专为支撑IC在严苛高温下稳定运行而设计，致力于提升器件在极端工况下的鲁棒性、延长使用寿命，同时优化整体方案的性价比。

环境温度

IC 及所有电子设备的一个关键参数是其能够可靠工作的温度范围。具体的工作温度范围是根据其应用和行业来定义的（图 1a）。

图 1. 不同应用的温度范围及温度曲线示例

例如，对于汽车 IC 而言，温度范围取决于电子元件的安装位置。如果位于乘员舱内，温度范围最高可达 85°C。如果位于底盘或发动机舱内，但不直接位于发动机上，则温度范围最高可达 125°C。靠近或直接位于发动机或变速箱附近，温度范围可达 150°C 或 160°C。在靠近刹车或液压系统的底盘区域，温度最高可达 175℃。这些对高温的要求适用于内燃机汽车，同时也适用于混动和全电动汽车。

当汽车发动机运行时，主动冷却系统会有效控制温度。然而，在最极端的情况下，如车辆行驶后停放在酷热环境中，此时主动冷却系统停止工作，发动机及其它部件的热量逐渐扩散，导致电子设备温度上升。即便如此，当汽车再次启动时，所有系统仍需在温度升高的条件下保持正常工作。

对于适中的温度条件，可以定义 IC 在静态工作温度下的预期使用寿命。例如，在 125°C 的条件下可以连续工作 10 年。然而，对于像 175°C 这样的高温，使用 bulk CMOS 工艺实际上是不能实现的。通常，IC 不需要在其整个生命周期内都以最高温度运行。在汽车行业，常采用热曲线图来替代固定的静态温度规范，将整个使用寿命划分为不同的工作模式和温度区间（段），只有一小部分时间需要在极高温度下工作（图 1b）。

将电子元件布置在更靠近应用的高温区域，通过减少噪音和干扰可以提高传感器的精度和分辨率。对于大功率应用，尽量减少大电流开关回路可减少干扰。采用局部闭环控制系统可减轻重量并提高性能。然而，缩小模块尺寸会因功率密度提高和散热问题而增加电子元件的温度。

结温

IC 工作时会有功耗，导致 IC 内部的实际半导体结温高于环境温度。温度的升高取决于 IC 内部耗散的功率以及裸片与环境之间的热阻。这种热阻取决于封装类型、PCB、散热片等（见图 2）。

图 2. 结温升高

对于功率开关、功率驱动器、DC-DC 转换器、具有高压降的线性稳压器（例如，在使用 DC-DC 转换器不经济的情况下，用于汽车电池驱动模块）或传感器执行器来说，裸片高功耗是不可避免的。

热阻取决于封装类型和热管理方式（图 3）。对于常用的小型封装，结到外部环境的热阻大约为 50-90K/W（SOIC 封装），以及大约 30-60K/W（QFP 封装）。在某些应用中，结至环境的热阻可达每瓦数百开尔文。

图3. 不同封装类型IC散热示例

结温在 IC 的整个裸片上并不是均匀一致的。可能存在如功率驱动器等高功耗区。具有高功率驱动器的 IC 裸片温度图示例见图 4。

图 4. IC热分布图示例

综上所述，IC内部的热分布绝非均匀，高功耗区域（如功率驱动器）会形成显著的热点，成为影响整体可靠性的关键瓶颈（如图4所示）。因此，应对高温挑战不仅关乎材料选型与工艺设计，更需要系统级的散热优化和精准的热管理策略。安森美Treo™平台集成了先进的芯片设计、封装技术与热建模能力，为开发者提供了一套完整的工具链和已验证的解决方案，确保您的产品即使在最严苛的温度曲线（如图1b所示）与空间热梯度（如图4所示）下，也能实现预期的性能、寿命与安全性目标。