汽車工業級元器件低溫應用特性研究*

許艷君 李 智 閆玉波

（北京振興計量測試研究所 北京 100074）

1 引言

由于低成本和高集成度的要求，汽車工業級器件在航空航天領域得到了的應用。汽車工業級器件在航空航天應用面臨的首要問題就是工作溫度范圍無法滿足“軍溫”的要求。特別是一定彈載條件下的低溫應用問題更為突出。目前，國內外的軍用電子元器件規范規定的工作溫度一般是-55℃～+125℃，而汽車工業級器件的工作溫度范圍一般為-40℃～+85℃。汽車級元器件應用于外大氣層環境，低溫工作溫度都需要滿足低于-45℃的要求，超過了廠家保證的標稱溫度范圍。因此，需要開展汽車工業級元器件低溫拓展應用的相關技術研究，分析器件低溫拓展應用時的性能變化，指導汽車工業級元器件低溫應用時的設計。

2 元器件低溫應用失效機理

國外對元器件低溫應用的研究主要以美國NASA的太空探測任務需求為牽引。行星探索任務和深空探測任務需要電子功率管理和控制系統工作在極低的低溫環境下［1］。目前，需要在深空環境工作的航天器的解決辦法是攜帶大量的放射性加熱單元，以保證電路板上電子元器件的周邊溫度保持在20℃左右［2］。這種做法不但增加了系統的體積和重量，增加了結構設計難度，還增加了發射成本。因此，美國NASA的格倫研究中心承擔了NASA的低溫元器件項目，擬發展可以工作在冷凍溫度條件下的電子元器件，并對商用貨架產品的極限低溫工作的應用可行性進行研究。

表1 美國NASA無加熱狀態空間飛行器的工作溫度條件［1］

美國NASA的格倫研究中心的研究對象包括開關類器件、電阻器、磁性元件和電容器。對于存在低溫應用前景的半導體類器件，包括DAC和ADC轉換器、DC/DC轉換器、運算放大器、和晶體振蕩器等。格倫研究中心還搭建了基于不同設計拓撲結構的數個低溫工作和低溫冷啟動的DC/DC轉換器。其中一些電路甚至使用了超導體［1］。

有一些半導體器件的參數會隨著溫度的下降（低至液氮溫度-196℃）而優化［3～4］。在低溫條件下，多子器件的漏電流會下降，閂鎖效應敏感性會下降。而且由于低溫下載流子遷移率提高，飽和電壓升高，這些器件會表現出更快的響應速度［3～5］。比如對于功率MOSFET器件，在低溫下載流子遷移率上升，導致漏-源極開態阻抗減小，從而傳導損失更小［4，6～7］。

在低溫環境下，國外研究發現，基于硅工藝的器件和電路，可以在絕對零度之上的幾個攝氏度時依然工作，也就是可以在-270°C的溫度條件下工作［8］。類似的研究在基于Si、Ge、GaAs和其他半導體材料工藝的器件上也有類似結果［9］。并且沒有理由去懷疑在低至絕對零度條件下器件工作的可行性。在低溫環境下，通過使用合適的制造材料，以及合適的設計，器件的低溫工作是可以實現的。但是一只器件的許多個參數可能會出現提升或者退化。特別需要注意，多個研究發現，低于40K時Si器件經常會表現出參數的明顯變化［10］。

在極限溫度下元器件的參數變化是一個復雜的、受多個因素影響的結果。元器件的性能由內部的許多電子、離子和原子的物理、化學反應過程決定。有一個因素決定了器件在傳統工作溫度范圍內的性能，但是有一些反應會在極高溫、或者極低溫時引入/產生新的效果，既可能是漸進式的，也可能是突然式的。器件在傳統工作溫度范圍內的參數變化趨勢，通常會在超高溫、超低溫時表現出延續性。但是會存在一些關鍵溫度點打斷這一延續性，引起器件參數的突然變化。比如Si材料在-240℃/30K溫度下會發生的載流子“凍析效應”，導致Si器件在低于這一溫度時性能發生明顯改變［11］。在低溫條件下，器件的極限低溫范圍通常是由于內部的施主原子的電離能決定的。半導體材料的施主原子需要一定的能量才可以電離和產生載流子。這一能量通常來源于熱能。如果溫度過低，材料內部的施主原子就無法有效的電離產生足夠的載流子。這種情況就稱作“載流子凍析”［12］。比如，對于Si原子，其施主電離能為～0.05eV，在30K時就會發生凍析。對于Ge原子，其施主電離能為～0.01eV，在20K會發生凍析。因此，Ge材料的器件通常可以比Si材料的器件工作在更低的溫度條件下［13～15］。

對于半導體器件的極限溫度，在低于材料的“凍析”溫度時，也會由一些反應可以允許器件工作。首先，如果半導體材料達到特定的摻雜濃度，可以獲得“簡并”特性，在簡并半導體內，施主原子不需要能量來進行電離。比如，對于n-GaAs材料，這種情況在低摻雜濃度（～1016cm-3）就會發生，使用這種工藝的GaAs MOSFET可以在接近絕對零度的條件下工作。對于Si材料，簡并態摻雜需要極高的摻雜濃度（～1019cm-3）［13，15］。

在低溫條件下，有一些器件的性能嚴重依賴于離子的移動和化學反應過程。這些器件包括了電解質電容器、部分瓷介電容器和電池。在低溫溫度下上述反應過程會凍結，在降溫時電解質電容器會很快的丟失容值［16］。

3 試驗方法

本文選擇7類樣品（見表2），采用了在集成電路測試系統上聯合溫度罩杯的方案，實現了對于樣品適配器區域的局部溫度控制，實現了對器件“-80℃～25℃”溫度范圍的低溫試驗。

表2 低溫拓展試驗樣品監測參數

低溫特性驗證試驗采用試限應力試驗，這種方法規定了確定或評價微電子器件最大能力的方法，這些能力包括絕對最大額定值（從中可推出安全設計極限值）、在不引起退化的前提下篩選或試驗時可以施加的最大應力、對不引起退化的特殊篩選或試驗的敏感性，以及與之有關的失效模式和機理。

試驗選擇的樣本數為10，試驗應力為溫度應力，應力施加方式為步進應力。以0℃作為溫度步進的起始溫度；在溫度達到-40℃之前，以-10℃為步長，每個溫度水平持續時間為1h；在溫度達到-40℃之后，以-5℃為步長，每個溫度水平持續時間為1h；當預計快接近產品工作極限時可以進一步縮短步長。為了考察樣品低溫工作能力，應力施加過程中應保持樣品通電狀態。

根據工程經驗，元器件低溫工作時的無法正常啟動是常見失效模式，因此試驗過程中，應增加樣品通電啟動測試。綜合考慮確定試驗樣品的測試節點為：在溫度應力達到-40℃之前，樣品工作在廠家保證溫度范圍內，試驗樣品在當前應力水平持續時間結束前記錄1次測試參數；在溫度應力達到-40℃之后，樣品工作在廠家保證溫度范圍外，在當前應力水平下，試驗樣品達到溫度穩定時進行1次通電啟動測試，持續時間30min，記錄第1次測試參數，結束前記錄第2次測試參數，并關斷。當試驗樣品失效個數占樣品總數的50%，或應力水平達到-80℃時終止試驗。

4 測試結果與分析

對低溫試驗的樣品關鍵參數進行監控，在0～-80℃溫 度，CY7C1041DV33、OPA2277、ROM-0505S型號器件的關鍵參數變化較小，保持穩定，因此-80℃溫度對這些器件參數性能影響較小。

對進行低溫拓展試驗的HCPL-0630的關鍵參數進行分析，發現0～-80℃范圍內，隨著溫度降低，輸出電流、輸出電壓增加（負溫度系數）。當溫度降低至-75℃時，輸出電流出現參數超差，回溫到-70℃參數超差現象消失（圖1）。這是由于低溫影響了器件內部的物理、化學反應，這種影響是可恢復的。

圖1 HCPL-0630參數隨溫度變化曲線

對進行低溫拓展試驗的12CWQ10FN的關鍵參數進行分析，發現0～-80℃范圍內，隨溫度降低，器件的正向壓降增加（負溫度系數），器件的漏電流下降（正溫度系數）。當溫度降低至-75℃時，二極管正向電壓出現參數超差，回溫到-70℃參數超差現象消失（圖2）。

圖2 12CWQ10FN參數隨溫度變化曲線

對進行低溫拓展試驗的IRF7853PBF的關鍵參數進行分析，發現0～-80℃范圍內，隨溫度降低，器件的閾值電壓升高（負溫度系數）（圖3）。

圖3 IRF7853PBF閾值電壓隨溫度變化曲線

對進行低溫拓展試驗的MMBT3904的關鍵參數進行分析，發現0～-80℃范圍內，隨溫度降低，器件的電流放大系數下降（負溫度系數），擊穿電壓下降（負溫度系數）。當溫度下降到-40℃，器件的電流放大系數急劇下降（圖4）。

圖4 MMBT3904參數隨溫度變化曲線

5 結語

元器件的性能由內部的許多電子、離子和原子的反應過程決定。隨著溫度變化，器件的許多參數可能會出現提升或者退化，一般這個變化是漸進式的，只有在超低溫的情況下會出現突然式的變化。因此，在低溫環境下，通過使用合適的制造材料，以及合適的設計，器件的低溫工作是可以實現的。出于武器裝備發展的性能和成本需求，元器件選用越來越趨向于高集成度、高速度的汽車工業級器件。在低溫條件下，這些大規模半導體集成電路的某些參數，尤其是動態參數，對可靠性的影響會越來越大。因此，對于武器裝備使用的工業級器件，應進行進一步的低溫驗證。對于功能過于復雜，測試困難的器件，也可以采用本文溫度罩杯局部溫控技術，對電路板局部進行低溫條件模擬，實現對元器件級功能的低溫特性驗證。