【导读】在汽车引擎舱的200℃热浪中，或在深地钻探设备的极限工况下，集成电路（IC）的‘心脏’——半导体结温正面临前所未有的挑战。环境温度与结温的差值每扩大10℃，芯片寿命可能缩短一半。安森美（onsemi）的Treo平台的创新设计证明：通过材料革新（如SiC/GaN）与动态热管理，高温IC的可靠性可提升3倍以上。本文将揭示环境温度如何‘传导’为结温危机，并拆解工业级解决方案的底层逻辑。
在汽车引擎舱的200℃热浪中，或在深地钻探设备的极限工况下，集成电路（IC）的‘心脏’——半导体结温正面临前所未有的挑战。环境温度与结温的差值每扩大10℃，芯片寿命可能缩短一半。安森美（onsemi）的Treo平台的创新设计证明：通过材料革新（如SiC/GaN）与动态热管理，高温IC的可靠性可提升3倍以上。本文将揭示环境温度如何‘传导’为结温危机，并拆解工业级解决方案的底层逻辑。
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
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