集成电路低温特性的推断

宁永成

（中国航天科技集团公司第五研究院，北京 100029）

1 引言

高质量等级硅单片半导体集成电路（IC）一般规定的工作温度范围为-55～125℃，但这并不表示超过了该温度范围集成电路就不能工作，只是某些电参数可能超出预期或规定的范围。一般认为集成电路可以工作的最高温度由允许的最高结温决定，美军标硅单片集成电路38510详细规范规定的最大允许结温为175℃，即集成电路工作时结温高温不超过175℃是完全可以正常工作的，后来按照MIL-PRF-38535总规范、5962详细规范最高结温逐渐定为150℃。

按照MIL-STD-883G方法1015的规定，国外很多半导体集成电路制造厂商为减少老炼时间，降低成本，对宇航级集成电路可采用150℃（标准要求为125℃）进行老炼试验，标准军级（B级）甚至允许在225℃下进行老炼（不受结温限制，仅要求不造成损伤），这很能说明单片集成电路完全可在大于125℃的条件下工作，且余量很大。但使用者应该明白，高温工作会大大缩短使用寿命。老炼的温度都是经过大量的试验统计分析得到的。

现在面对的问题是，集成电路的最高工作温度由最高结温限制，但对于低温仅给出-55℃的信息，尚无公开的低温研究，且-65～150℃的贮存温度范围仅是考虑到长期存放对封装的影响，因此探究集成电路低温工作特性十分必要。但是，由于低温下半导体参数与常温相比有较大的变化，电路的性能参数变化规律有待研究[1]，且低温条件不像高温条件那么容易获得，寻找一种简单、易行的集成电路低温特性表征或推断方法是必然的，本文通过试验数据分析，结合厂家的产品手册，给出表征推断IC低温特性的方法。

2 试验器件和试验条件

2.1 试验器件

试验器件的信息见表1。选择这3种器件是因为它们是国产高质量等级集成电路中3种类型的代表，因此得到的数据有利于我们了解这类电路的特性。每种器件2只，其中1只记录测试数据，另一只仅测试以确定电参数随温度变换趋势是一致的。

表1 试验器件

2.2 试验电路及测试参数

三端稳压器CW78L06的试验线路如图1所示，测试的主要电参数是功耗电流和输出稳压值。运算放大器OP07试验线路如图2所示，其中图2（a）所示主要测试失调电压VIO，图2（b）所示主要测试电源功耗电流、传输延时、动态输出幅度及工作频率。四2输入与门电路C4081试验线路如图3所示。

2.3 试验设备仪器

高低温箱WIESS T40/70温度范围-70～180℃，NI 4071 7位半数字万用表，DMC35-3菊水电源，LT372 400 MHz示波器，SP-F20信号发生器等。

3 结果

3.1 CW78L06

试验测试得到的功耗电流和输出电压变化曲线分别如图4和图5所示。

NSC公司产品手册给出的温度与功耗关系变化一致，如图6所示。但是从图6并不能得到温度越低，静态功耗电流越大的结论；从图4看到，在低于某一温度后，随温度降低，功耗电流也逐渐减少，-50～-20℃之间可能存在最大值。

从图5看出，78L06输出电压随温度降低而逐渐增加，但低温区变化缓慢，低于-60℃时几乎趋于一致。

3.2 OP07

从125℃逐渐降低到-70℃，低于0℃时每10℃测试一次。从测试结果来看，温度对工作功耗电流影响不大，如图7所示；但对于失调电压、 传输延时和工作频率（包括输出幅值）影响较大，如图8、图9和图10所示。

3.3 CC4081

与OP07相比，CC4081的低温特性要比想象的好。输出电压变换不大，其变化几乎可以忽略。

低温时，动态功耗电流随温度降低略有增加，但在更低温度时可能增加得更快，如图12所示。

从图8可以看出，如果OP07的工作温度超出了-55～125℃的范围，其失调电压VIO绝对值很可能超出其产品手册规定的值，但其变化趋势拟合于一多项式曲线，其变化趋势与AD公司产品手册给出的信息一致，如图11所示。

受温度影响变化较大的是时间参数，传输延时变化趋势见图13，转换时间变化趋势见图14。

从图13图、14看出，其交流特性在低温时更好，这与低温时功耗增加是相对应的，一般来说，在相同的工作状态下，功耗愈大，其交流特性也愈好。

图9是OP07输入到输出信号的传输延时与温度的关系，可以看出其变化趋势呈指数函数，低于一定的温度，OP07的传输延时将不能满足使用要求。图10中的数据按照试验线路图2（b）测试得到，常温时，输入信号在较低频率（小于1 kHz）下，输入信号幅值为2.3 V，输出幅值为12.14 V，即认为其增益G=12.14/2.3=5.28；在不同的温度条件下，逐渐增加输入频率（幅度不变），记录当输出幅值减小3 dB时的频率，该频率乘以设置增益，得到FG，该参数同时表征了温度对频率和输出幅值的影响。从图10的变化趋势看，FG与温度几乎呈线性变化，如果按该变化趋势，那么OP07将在低于某一低温点时丧失功能。

4 结论

上述试验的目的并不是得到准确的信息，而是为了得到3种器件基本电参数的低温数据，得出其基本的变化趋势，如果这些数据能够很好地符合某一函数，那么在一定的温度范围内我们就可以推测出确定温度下该参数的大致数值，以能提供给使用者一些信息。各参数的测试采用了固定的试验线路图，搭建测试台，使用万用表、示波器而不使用测试设备进行测量，主要是考虑能持续地测量和直观地观察数据，而且也可以确保数据的准确性——测试简单直接。

测试线路中影响测试电参数的辅助元件是电阻，为确定所用的电阻在低温下是否影响测试，选用了同类型2 kΩ、5 kΩ、10 kΩ进行了温度试验。试验结果表明，随温度增加，其阻值减小，但其变化很小，对试验电路的影响可以忽略不计。

集成电路在低于-55℃的温度环境下是可以工作的，尽管温度对部分电参数的影响较大，低温时超出产品手册规定的数值范围，但尚不是参数的严重超差或功能失效；另外，在更低温温度下，有些电参数更加优化，如三端稳压器的稳压值更稳定（受温度影响更小），C4081的交流特性。再次，我们想找到一种能够估算某一低温下电参数的数值的简单方法。将得到的试验数据与厂家给出的电参数与温度曲线相比，能够判断其得到的变化趋势是一致的，且试验数据可拟合成某一函数曲线y=f（T），这样就可以根据得到的函数估算出确定温度下的数值。因试验条件有限，尚未在低于-70℃下进行验证，但已对-70～125℃温度范围的测试数据进行了验证，虽然通过拟合曲线函数计算得出的数值与实测值有偏差，但已很接近。

以OP07失调电压参数随温度变化为例进行曲线拟合。利用实测得到的9个数据点、7个数据点（如图15所示）、6个数据点（如图16所示）和5个数据点分别拟合函数（仅2、3、4次方多项式拟合函数符合该参数变化趋势），再计算-65℃、-70℃时的数值，其与实测值相比，已十分接近，且数据点越少，拟合函数项式越少，由函数计算出的值与实测值偏差愈大；数据点越靠近待计算数值域，由拟合函数得到数据越接近实测值。表2仅给出7个采样点和6个采样点的数据及拟合函数，根据拟合函数计算的数值与实测值已十分接近，可以满足工程实践。

另外，在部分电性能下降但尚能够满足使用要求的前提下，建议首先应该重点考虑低温条件下封装、组装的可靠性问题。

表2 VIO随温度变化曲线拟合

5 结束语

从理论上分析半导体器件的特性，对于二极管三级管等简单器件，因为有经典的理论模型，容易进行理论分析；但对于复杂集成电路，如果想经过理论分析而准确地得到温度与某一电参数的关系就是很困难的。如果我们通过一组数据，能够拟合出某一电参数与温度的变化曲线，那么就可以很容易地估算具体的温度下该电参数的数值，至少是一个简单、容易获得参考数值的方法。

[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.