寧永成

（中國(guó)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(jí)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(guò)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(shí)結(jié)溫高溫不超過(guò)175℃是完全可以正常工作的，后來(lái)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(guó)外很多半導(dǎo)體集成電路制造廠商為減少老煉時(shí)間，降低成本，對(duì)宇航級(jí)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(jí)（B級(jí)）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(shuō)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(huì)大大縮短使用壽命。老煉的溫度都是經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析得到的。

現(xiàn)在面對(duì)的問(wèn)題是，集成電路的最高工作溫度由最高結(jié)溫限制，但對(duì)于低溫僅給出-55℃的信息，尚無(wú)公開(kāi)的低溫研究，且-65～150℃的貯存溫度范圍僅是考慮到長(zhǎng)期存放對(duì)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(jiǎn)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(guò)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，結(jié)合廠家的產(chǎn)品手冊(cè)，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(jiàn)表1。選擇這3種器件是因?yàn)樗鼈兪菄?guó)產(chǎn)高質(zhì)量等級(jí)集成電路中3種類(lèi)型的代表，因此得到的數(shù)據(jù)有利于我們了解這類(lèi)電路的特性。每種器件2只，其中1只記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，另一只僅測(cè)試以確定電參數(shù)隨溫度變換趨勢(shì)是一致的。

表1 試驗(yàn)器件

2.2 試驗(yàn)電路及測(cè)試參數(shù)

三端穩(wěn)壓器CW78L06的試驗(yàn)線路如圖1所示，測(cè)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(cè)試失調(diào)電壓VIO，圖2（b）所示主要測(cè)試電源功耗電流、傳輸延時(shí)、動(dòng)態(tài)輸出幅度及工作頻率。四2輸入與門(mén)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(wàn)用表，DMC35-3菊水電源，LT372 400 MHz示波器，SP-F20信號(hào)發(fā)生器等。

3 結(jié)果

3.1 CW78L06

試驗(yàn)測(cè)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(cè)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(shí)幾乎趨于一致。

3.2 OP07

從125℃逐漸降低到-70℃，低于0℃時(shí)每10℃測(cè)試一次。從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，溫度對(duì)工作功耗電流影響不大，如圖7所示；但對(duì)于失調(diào)電壓、 傳輸延時(shí)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(shí)，動(dòng)態(tài)功耗電流隨溫度降低略有增加，但在更低溫度時(shí)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(duì)值很可能超出其產(chǎn)品手冊(cè)規(guī)定的值，但其變化趨勢(shì)擬合于一多項(xiàng)式曲線，其變化趨勢(shì)與AD公司產(chǎn)品手冊(cè)給出的信息一致，如圖11所示。

受溫度影響變化較大的是時(shí)間參數(shù)，傳輸延時(shí)變化趨勢(shì)見(jiàn)圖13，轉(zhuǎn)換時(shí)間變化趨勢(shì)見(jiàn)圖14。

從圖13圖、14看出，其交流特性在低溫時(shí)更好，這與低溫時(shí)功耗增加是相對(duì)應(yīng)的，一般來(lái)說(shuō)，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(hào)的傳輸延時(shí)與溫度的關(guān)系，可以看出其變化趨勢(shì)呈指數(shù)函數(shù)，低于一定的溫度，OP07的傳輸延時(shí)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(cè)試得到，常溫時(shí)，輸入信號(hào)在較低頻率（小于1 kHz）下，輸入信號(hào)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(shí)的頻率，該頻率乘以設(shè)置增益，得到FG，該參數(shù)同時(shí)表征了溫度對(duì)頻率和輸出幅值的影響。從圖10的變化趨勢(shì)看，F(xiàn)G與溫度幾乎呈線性變化，如果按該變化趨勢(shì)，那么OP07將在低于某一低溫點(diǎn)時(shí)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(shì)，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(cè)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(cè)試采用了固定的試驗(yàn)線路圖，搭建測(cè)試臺(tái)，使用萬(wàn)用表、示波器而不使用測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)量，主要是考慮能持續(xù)地測(cè)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(cè)試簡(jiǎn)單直接。

測(cè)試線路中影響測(cè)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(cè)試，選用了同類(lèi)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(duì)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(duì)部分電參數(shù)的影響較大，低溫時(shí)超出產(chǎn)品手冊(cè)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（受溫度影響更小），C4081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(jiǎn)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(shì)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(duì)-70～125℃溫度范圍的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證，雖然通過(guò)擬合曲線函數(shù)計(jì)算得出的數(shù)值與實(shí)測(cè)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(cè)得到的9個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)、7個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（如圖15所示）、6個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)（如圖16所示）和5個(gè)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(shì)），再計(jì)算-65℃、-70℃時(shí)的數(shù)值，其與實(shí)測(cè)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(cè)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(cè)值。表2僅給出7個(gè)采樣點(diǎn)和6個(gè)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(cè)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(wèn)題。

表2 VIO隨溫度變化曲線擬合

5 結(jié)束語(yǔ)

從理論上分析半導(dǎo)體器件的特性，對(duì)于二極管三級(jí)管等簡(jiǎn)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(duì)于復(fù)雜集成電路，如果想經(jīng)過(guò)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(guò)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(gè)簡(jiǎn)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.