集成電路低溫特性的推斷

寧永成

（中國航天科技集團(tuán)公司第五研究院，北京 100029）

1 引言

高質(zhì)量等級硅單片半導(dǎo)體集成電路（IC）一般規(guī)定的工作溫度范圍為-55～125℃，但這并不表示超過了該溫度范圍集成電路就不能工作，只是某些電參數(shù)可能超出預(yù)期或規(guī)定的范圍。一般認(rèn)為集成電路可以工作的最高溫度由允許的最高結(jié)溫決定，美軍標(biāo)硅單片集成電路38510詳細(xì)規(guī)范規(guī)定的最大允許結(jié)溫為175℃，即集成電路工作時結(jié)溫高溫不超過175℃是完全可以正常工作的，后來按照MIL-PRF-38535總規(guī)范、5962詳細(xì)規(guī)范最高結(jié)溫逐漸定為150℃。

按照MIL-STD-883G方法1015的規(guī)定，國外很多半導(dǎo)體集成電路制造廠商為減少老煉時間，降低成本，對宇航級集成電路可采用150℃（標(biāo)準(zhǔn)要求為125℃）進(jìn)行老煉試驗(yàn)，標(biāo)準(zhǔn)軍級（B級）甚至允許在225℃下進(jìn)行老煉（不受結(jié)溫限制，僅要求不造成損傷），這很能說明單片集成電路完全可在大于125℃的條件下工作，且余量很大。但使用者應(yīng)該明白，高溫工作會大大縮短使用壽命。老煉的溫度都是經(jīng)過大量的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析得到的。

現(xiàn)在面對的問題是，集成電路的最高工作溫度由最高結(jié)溫限制，但對于低溫僅給出-55℃的信息，尚無公開的低溫研究，且-65～150℃的貯存溫度范圍僅是考慮到長期存放對封裝的影響，因此探究集成電路低溫工作特性十分必要。但是，由于低溫下半導(dǎo)體參數(shù)與常溫相比有較大的變化，電路的性能參數(shù)變化規(guī)律有待研究[1]，且低溫條件不像高溫條件那么容易獲得，尋找一種簡單、易行的集成電路低溫特性表征或推斷方法是必然的，本文通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合廠家的產(chǎn)品手冊，給出表征推斷IC低溫特性的方法。

2 試驗(yàn)器件和試驗(yàn)條件

2.1 試驗(yàn)器件

試驗(yàn)器件的信息見表1。選擇這3種器件是因?yàn)樗鼈兪菄a(chǎn)高質(zhì)量等級集成電路中3種類型的代表，因此得到的數(shù)據(jù)有利于我們了解這類電路的特性。每種器件2只，其中1只記錄測試數(shù)據(jù)，另一只僅測試以確定電參數(shù)隨溫度變換趨勢是一致的。

表1 試驗(yàn)器件

2.2 試驗(yàn)電路及測試參數(shù)

三端穩(wěn)壓器CW78L06的試驗(yàn)線路如圖1所示，測試的主要電參數(shù)是功耗電流和輸出穩(wěn)壓值。運(yùn)算放大器OP07試驗(yàn)線路如圖2所示，其中圖2（a）所示主要測試失調(diào)電壓VIO，圖2（b）所示主要測試電源功耗電流、傳輸延時、動態(tài)輸出幅度及工作頻率。四2輸入與門電路C4081試驗(yàn)線路如圖3所示。

2.3 試驗(yàn)設(shè)備儀器

高低溫箱WIESS T40/70溫度范圍-70～180℃，NI 4071 7位半數(shù)字萬用表，DMC35-3菊水電源，LT372 400 MHz示波器，SP-F20信號發(fā)生器等。

3 結(jié)果

3.1 CW78L06

試驗(yàn)測試得到的功耗電流和輸出電壓變化曲線分別如圖4和圖5所示。

NSC公司產(chǎn)品手冊給出的溫度與功耗關(guān)系變化一致，如圖6所示。但是從圖6并不能得到溫度越低，靜態(tài)功耗電流越大的結(jié)論；從圖4看到，在低于某一溫度后，隨溫度降低，功耗電流也逐漸減少，-50～-20℃之間可能存在最大值。

從圖5看出，78L06輸出電壓隨溫度降低而逐漸增加，但低溫區(qū)變化緩慢，低于-60℃時幾乎趨于一致。

3.2 OP07

從125℃逐漸降低到-70℃，低于0℃時每10℃測試一次。從測試結(jié)果來看，溫度對工作功耗電流影響不大，如圖7所示；但對于失調(diào)電壓、 傳輸延時和工作頻率（包括輸出幅值）影響較大，如圖8、圖9和圖10所示。

3.3 CC4081

與OP07相比，CC4081的低溫特性要比想象的好。輸出電壓變換不大，其變化幾乎可以忽略。

低溫時，動態(tài)功耗電流隨溫度降低略有增加，但在更低溫度時可能增加得更快，如圖12所示。

從圖8可以看出，如果OP07的工作溫度超出了-55～125℃的范圍，其失調(diào)電壓VIO絕對值很可能超出其產(chǎn)品手冊規(guī)定的值，但其變化趨勢擬合于一多項(xiàng)式曲線，其變化趨勢與AD公司產(chǎn)品手冊給出的信息一致，如圖11所示。

受溫度影響變化較大的是時間參數(shù)，傳輸延時變化趨勢見圖13，轉(zhuǎn)換時間變化趨勢見圖14。

從圖13圖、14看出，其交流特性在低溫時更好，這與低溫時功耗增加是相對應(yīng)的，一般來說，在相同的工作狀態(tài)下，功耗愈大，其交流特性也愈好。

圖9是OP07輸入到輸出信號的傳輸延時與溫度的關(guān)系，可以看出其變化趨勢呈指數(shù)函數(shù)，低于一定的溫度，OP07的傳輸延時將不能滿足使用要求。圖10中的數(shù)據(jù)按照試驗(yàn)線路圖2（b）測試得到，常溫時，輸入信號在較低頻率（小于1 kHz）下，輸入信號幅值為2.3 V，輸出幅值為12.14 V，即認(rèn)為其增益G=12.14/2.3=5.28；在不同的溫度條件下，逐漸增加輸入頻率（幅度不變），記錄當(dāng)輸出幅值減小3 dB時的頻率，該頻率乘以設(shè)置增益，得到FG，該參數(shù)同時表征了溫度對頻率和輸出幅值的影響。從圖10的變化趨勢看，F(xiàn)G與溫度幾乎呈線性變化，如果按該變化趨勢，那么OP07將在低于某一低溫點(diǎn)時喪失功能。

4 結(jié)論

上述試驗(yàn)的目的并不是得到準(zhǔn)確的信息，而是為了得到3種器件基本電參數(shù)的低溫?cái)?shù)據(jù)，得出其基本的變化趨勢，如果這些數(shù)據(jù)能夠很好地符合某一函數(shù)，那么在一定的溫度范圍內(nèi)我們就可以推測出確定溫度下該參數(shù)的大致數(shù)值，以能提供給使用者一些信息。各參數(shù)的測試采用了固定的試驗(yàn)線路圖，搭建測試臺，使用萬用表、示波器而不使用測試設(shè)備進(jìn)行測量，主要是考慮能持續(xù)地測量和直觀地觀察數(shù)據(jù)，而且也可以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性——測試簡單直接。

測試線路中影響測試電參數(shù)的輔助元件是電阻，為確定所用的電阻在低溫下是否影響測試，選用了同類型2 kΩ、5 kΩ、10 kΩ進(jìn)行了溫度試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨溫度增加，其阻值減小，但其變化很小，對試驗(yàn)電路的影響可以忽略不計(jì)。

集成電路在低于-55℃的溫度環(huán)境下是可以工作的，盡管溫度對部分電參數(shù)的影響較大，低溫時超出產(chǎn)品手冊規(guī)定的數(shù)值范圍，但尚不是參數(shù)的嚴(yán)重超差或功能失效；另外，在更低溫溫度下，有些電參數(shù)更加優(yōu)化，如三端穩(wěn)壓器的穩(wěn)壓值更穩(wěn)定（受溫度影響更?。珻4081的交流特性。再次，我們想找到一種能夠估算某一低溫下電參數(shù)的數(shù)值的簡單方法。將得到的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與廠家給出的電參數(shù)與溫度曲線相比，能夠判斷其得到的變化趨勢是一致的，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)可擬合成某一函數(shù)曲線y=f（T），這樣就可以根據(jù)得到的函數(shù)估算出確定溫度下的數(shù)值。因試驗(yàn)條件有限，尚未在低于-70℃下進(jìn)行驗(yàn)證，但已對-70～125℃溫度范圍的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，雖然通過擬合曲線函數(shù)計(jì)算得出的數(shù)值與實(shí)測值有偏差，但已很接近。

以O(shè)P07失調(diào)電壓參數(shù)隨溫度變化為例進(jìn)行曲線擬合。利用實(shí)測得到的9個數(shù)據(jù)點(diǎn)、7個數(shù)據(jù)點(diǎn)（如圖15所示）、6個數(shù)據(jù)點(diǎn)（如圖16所示）和5個數(shù)據(jù)點(diǎn)分別擬合函數(shù)（僅2、3、4次方多項(xiàng)式擬合函數(shù)符合該參數(shù)變化趨勢），再計(jì)算-65℃、-70℃時的數(shù)值，其與實(shí)測值相比，已十分接近，且數(shù)據(jù)點(diǎn)越少，擬合函數(shù)項(xiàng)式越少，由函數(shù)計(jì)算出的值與實(shí)測值偏差愈大；數(shù)據(jù)點(diǎn)越靠近待計(jì)算數(shù)值域，由擬合函數(shù)得到數(shù)據(jù)越接近實(shí)測值。表2僅給出7個采樣點(diǎn)和6個采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)及擬合函數(shù)，根據(jù)擬合函數(shù)計(jì)算的數(shù)值與實(shí)測值已十分接近，可以滿足工程實(shí)踐。

另外，在部分電性能下降但尚能夠滿足使用要求的前提下，建議首先應(yīng)該重點(diǎn)考慮低溫條件下封裝、組裝的可靠性問題。

表2 VIO隨溫度變化曲線擬合

5 結(jié)束語

從理論上分析半導(dǎo)體器件的特性，對于二極管三級管等簡單器件，因?yàn)橛薪?jīng)典的理論模型，容易進(jìn)行理論分析；但對于復(fù)雜集成電路，如果想經(jīng)過理論分析而準(zhǔn)確地得到溫度與某一電參數(shù)的關(guān)系就是很困難的。如果我們通過一組數(shù)據(jù)，能夠擬合出某一電參數(shù)與溫度的變化曲線，那么就可以很容易地估算具體的溫度下該電參數(shù)的數(shù)值，至少是一個簡單、容易獲得參考數(shù)值的方法。

[1]CLARK W F，EI-Karch B，PIRES R G，et al.Low temperature CMOS–a brief review[J].Components，Hybrids，and Manufacturing Technology IEEE Transactions，1992，15（3）： 397-404.