汽車工業(yè)級元器件低溫應(yīng)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(yè)級器件在航空航天領(lǐng)域得到了的應(yīng)用。汽車工業(yè)級器件在航空航天應(yīng)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(yīng)用問題更為突出。目前，國內(nèi)外的軍用電子元器件規(guī)范規(guī)定的工作溫度一般是-55℃～+125℃，而汽車工業(yè)級器件的工作溫度范圍一般為-40℃～+85℃。汽車級元器件應(yīng)用于外大氣層環(huán)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(yè)級元器件低溫拓展應(yīng)用的相關(guān)技術(shù)研究，分析器件低溫拓展應(yīng)用時的性能變化，指導(dǎo)汽車工業(yè)級元器件低溫應(yīng)用時的設(shè)計。

2 元器件低溫應(yīng)用失效機理

國外對元器件低溫應(yīng)用的研究主要以美國NASA的太空探測任務(wù)需求為牽引。行星探索任務(wù)和深空探測任務(wù)需要電子功率管理和控制系統(tǒng)工作在極低的低溫環(huán)境下［1］。目前，需要在深空環(huán)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(tǒng)的體積和重量，增加了結(jié)構(gòu)設(shè)計難度，還增加了發(fā)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(fā)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(chǎn)品的極限低溫工作的應(yīng)用可行性進行研究。

表1 美國NASA無加熱狀態(tài)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(guān)類器件、電阻器、磁性元件和電容器。對于存在低溫應(yīng)用前景的半導(dǎo)體類器件，包括DAC和ADC轉(zhuǎn)換器、DC/DC轉(zhuǎn)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(shè)計拓撲結(jié)構(gòu)的數(shù)個低溫工作和低溫冷啟動的DC/DC轉(zhuǎn)換器。其中一些電路甚至使用了超導(dǎo)體［1］。

有一些半導(dǎo)體器件的參數(shù)會隨著溫度的下降（低至液氮溫度-196℃）而優(yōu)化［3～4］。在低溫條件下，多子器件的漏電流會下降，閂鎖效應(yīng)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(xiàn)出更快的響應(yīng)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(dǎo)致漏-源極開態(tài)阻抗減小，從而傳導(dǎo)損失更小［4，6～7］。

在低溫環(huán)境下，國外研究發(fā)現(xiàn)，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(dǎo)體材料工藝的器件上也有類似結(jié)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(huán)境下，通過使用合適的制造材料，以及合適的設(shè)計，器件的低溫工作是可以實現(xiàn)的。但是一只器件的許多個參數(shù)可能會出現(xiàn)提升或者退化。特別需要注意，多個研究發(fā)現(xiàn)，低于40K時Si器件經(jīng)常會表現(xiàn)出參數(shù)的明顯變化［10］。

在極限溫度下元器件的參數(shù)變化是一個復(fù)雜的、受多個因素影響的結(jié)果。元器件的性能由內(nèi)部的許多電子、離子和原子的物理、化學(xué)反應(yīng)過程決定。有一個因素決定了器件在傳統(tǒng)工作溫度范圍內(nèi)的性能，但是有一些反應(yīng)會在極高溫、或者極低溫時引入/產(chǎn)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(tǒng)工作溫度范圍內(nèi)的參數(shù)變化趨勢，通常會在超高溫、超低溫時表現(xiàn)出延續(xù)性。但是會存在一些關(guān)鍵溫度點打斷這一延續(xù)性，引起器件參數(shù)的突然變化。比如Si材料在-240℃/30K溫度下會發(fā)生的載流子“凍析效應(yīng)”，導(dǎo)致Si器件在低于這一溫度時性能發(fā)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(nèi)部的施主原子的電離能決定的。半導(dǎo)體材料的施主原子需要一定的能量才可以電離和產(chǎn)生載流子。這一能量通常來源于熱能。如果溫度過低，材料內(nèi)部的施主原子就無法有效的電離產(chǎn)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(fā)生凍析。對于Ge原子，其施主電離能為～0.01eV，在20K會發(fā)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(dǎo)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(yīng)可以允許器件工作。首先，如果半導(dǎo)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(dǎo)體內(nèi)，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(fā)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(tài)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(xué)反應(yīng)過程。這些器件包括了電解質(zhì)電容器、部分瓷介電容器和電池。在低溫溫度下上述反應(yīng)過程會凍結(jié)，在降溫時電解質(zhì)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(tǒng)上聯(lián)合溫度罩杯的方案，實現(xiàn)了對于樣品適配器區(qū)域的局部溫度控制，實現(xiàn)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(jiān)測參數(shù)

低溫特性驗證試驗采用試限應(yīng)力試驗，這種方法規(guī)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(shè)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(yīng)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(guān)的失效模式和機理。

試驗選擇的樣本數(shù)為10，試驗應(yīng)力為溫度應(yīng)力，應(yīng)力施加方式為步進應(yīng)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(xù)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(xù)時間為1h；當預(yù)計快接近產(chǎn)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(yīng)力施加過程中應(yīng)保持樣品通電狀態(tài)。

根據(jù)工程經(jīng)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(yīng)增加樣品通電啟動測試。綜合考慮確定試驗樣品的測試節(jié)點為：在溫度應(yīng)力達到-40℃之前，樣品工作在廠家保證溫度范圍內(nèi)，試驗樣品在當前應(yīng)力水平持續(xù)時間結(jié)束前記錄1次測試參數(shù)；在溫度應(yīng)力達到-40℃之后，樣品工作在廠家保證溫度范圍外，在當前應(yīng)力水平下，試驗樣品達到溫度穩(wěn)定時進行1次通電啟動測試，持續(xù)時間30min，記錄第1次測試參數(shù)，結(jié)束前記錄第2次測試參數(shù)，并關(guān)斷。當試驗樣品失效個數(shù)占樣品總數(shù)的50%，或應(yīng)力水平達到-80℃時終止試驗。

4 測試結(jié)果與分析

對低溫試驗的樣品關(guān)鍵參數(shù)進行監(jiān)控，在0～-80℃溫 度，CY7C1041DV33、OPA2277、ROM-0505S型號器件的關(guān)鍵參數(shù)變化較小，保持穩(wěn)定，因此-80℃溫度對這些器件參數(shù)性能影響較小。

對進行低溫拓展試驗的HCPL-0630的關(guān)鍵參數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)0～-80℃范圍內(nèi)，隨著溫度降低，輸出電流、輸出電壓增加（負溫度系數(shù)）。當溫度降低至-75℃時，輸出電流出現(xiàn)參數(shù)超差，回溫到-70℃參數(shù)超差現(xiàn)象消失（圖1）。這是由于低溫影響了器件內(nèi)部的物理、化學(xué)反應(yīng)，這種影響是可恢復(fù)的。

圖1 HCPL-0630參數(shù)隨溫度變化曲線

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

圖2 12CWQ10FN參數(shù)隨溫度變化曲線

對進行低溫拓展試驗的IRF7853PBF的關(guān)鍵參數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)0～-80℃范圍內(nèi)，隨溫度降低，器件的閾值電壓升高（負溫度系數(shù)）（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(guān)鍵參數(shù)進行分析，發(fā)現(xiàn)0～-80℃范圍內(nèi)，隨溫度降低，器件的電流放大系數(shù)下降（負溫度系數(shù)），擊穿電壓下降（負溫度系數(shù)）。當溫度下降到-40℃，器件的電流放大系數(shù)急劇下降（圖4）。

圖4 MMBT3904參數(shù)隨溫度變化曲線

5 結(jié)語

元器件的性能由內(nèi)部的許多電子、離子和原子的反應(yīng)過程決定。隨著溫度變化，器件的許多參數(shù)可能會出現(xiàn)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(xiàn)突然式的變化。因此，在低溫環(huán)境下，通過使用合適的制造材料，以及合適的設(shè)計，器件的低溫工作是可以實現(xiàn)的。出于武器裝備發(fā)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(yè)級器件。在低溫條件下，這些大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路的某些參數(shù)，尤其是動態(tài)參數(shù)，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(yè)級器件，應(yīng)進行進一步的低溫驗證。對于功能過于復(fù)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(shù)，對電路板局部進行低溫條件模擬，實現(xiàn)對元器件級功能的低溫特性驗證。