滿足汽車高溫應(yīng)用環(huán)境要求的傳感器接口IC

現(xiàn)代汽車中傳感器的數(shù)量近年來快速增長，因?yàn)槠囍圃焐滔Ｍ纳茖?duì)關(guān)鍵的汽車動(dòng)力總成、穩(wěn)定性和安全應(yīng)用的監(jiān)測(cè)和反饋。這些傳感器當(dāng)中的許多?特別是在引擎蓋中的那些?必須具有在極高工作溫度下工作的魯棒性和可靠性。為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，最新的混合信號(hào)半導(dǎo)體工藝使人們能夠制成針對(duì)嚴(yán)酷的汽車電子溫度的集成傳感器接口IC，以極大地簡化傳感器應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)。

汽車電子的設(shè)計(jì)是為了滿足消費(fèi)者對(duì)更高安全性、保密性和舒適性的需求，因而刺激了汽車傳感器市場(chǎng)的增長。此外，為了從功能上順從政府法規(guī)對(duì)氣囊或被動(dòng)安全的新要求，傳感器也是必不可少的。進(jìn)一步說，根據(jù)最近的研究，汽車中傳感器的數(shù)量從現(xiàn)在到2010年間的增長率有望達(dá)到45%。

傳感器接口

車載傳感器的增長正在點(diǎn)燃了對(duì)其周圍汽車電子的需求，在此，從本質(zhì)上看，主要問題是傳感器利用各種電子特征如電阻和電容來測(cè)量模擬信號(hào)，包括溫度、壓力、速度、加速度和氣體濃度。然而，對(duì)傳感器進(jìn)行解釋和對(duì)信息作出反應(yīng)的主微控制器(MCU)可能需要數(shù)字信號(hào)輸入。因此，在傳感器和MCU之間需要信號(hào)調(diào)理電路，該電路捕獲傳感器的模擬信號(hào)，對(duì)其進(jìn)行濾波、放大并轉(zhuǎn)換為可由微控制器解釋的數(shù)字信號(hào)。近年來，這種電路越來越多地采用傳感器接口IC或SI2C。

車載傳感器的增長刺激了對(duì)SI2C的需求，可是，在這些應(yīng)用中配置的典型微控制器能力有限，難以管理來自各種傳感器的所有信號(hào)。隨著汽車控制器數(shù)量的增加，分布式智能應(yīng)運(yùn)而生，其中的處理和管理開銷都被委派給傳感器接口IC。

與此同時(shí)，空間約束限制了電路的SI2C單元的物理尺寸。然而，現(xiàn)在功能、性能和空間問題可以通過應(yīng)用智能的混合信號(hào)半導(dǎo)體技術(shù)加以解決，從而讓所有汽車模塊的功能被集成到單片IC之中。

將應(yīng)用功能集成到一顆芯片上，就容許該類芯片直接放置在它們管理的傳感器附近。相距較近意味著汽車中需要較短的電纜?僅僅需要在模塊之間運(yùn)載信息的車載網(wǎng)絡(luò)總線的電纜?？s短了電纜，車重也相應(yīng)地減輕，這就是標(biāo)準(zhǔn)車載網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)之一，它進(jìn)一步降低燃油消耗和有害物質(zhì)的排放。與傳統(tǒng)的、采用分立元件的、較大的模塊方案相比，其缺點(diǎn)是SI2C與傳感器太接近，常常意味著接口IC要暴露在嚴(yán)酷得多的環(huán)境之中。

例如，從溫度的觀點(diǎn)看，該IC可能暴露于比常溫??40到125C汽車標(biāo)準(zhǔn)的環(huán)境溫度?更高的使用環(huán)境之中。在此，記住一點(diǎn)很重要：對(duì)半導(dǎo)體器件的關(guān)鍵考慮是處理節(jié)溫而不是環(huán)境溫度的能力。芯片與環(huán)境溫度之間的差異被稱為耗散溫度，典型的變化范圍是15到25C。這意味著最大汽車工作溫度額定為140C，相當(dāng)于器件的最大工作節(jié)溫為165C。

此外，最近第一層汽車供應(yīng)商的研究表明，排氣系統(tǒng)附近的環(huán)境溫度在175C以上，配置在該區(qū)域的芯片的相應(yīng)節(jié)溫甚至更高(見下圖)。因此，汽車SI2C半導(dǎo)體的設(shè)計(jì)工程師必須采用較為復(fù)雜的開發(fā)方法，因?yàn)橐O(jiān)測(cè)電路的熱耗散以防止在峰值溫度工作期間芯片過熱。

復(fù)雜的依賴關(guān)系

下面舉例說明高溫的復(fù)雜性對(duì)集成電路的影響。在整個(gè)應(yīng)用的溫度范圍內(nèi)，可以看到非易失性存儲(chǔ)器(NVM)單元的門限電壓的數(shù)值對(duì)溫度的依賴關(guān)系。顯然，在設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，考慮該溫度依賴關(guān)系是很重要的。在SI2C電路設(shè)計(jì)完成之前，要?jiǎng)?chuàng)建晶體管和其它元件的模型，以便讓工程師仿真整個(gè)電路在工作溫度范圍內(nèi)的行為。

除了要配合設(shè)計(jì)過程，半導(dǎo)體可靠性工程師必須使其資格認(rèn)證步驟適應(yīng)溫度應(yīng)用的要求。如下圖所示為清晰的溫度曲線，必須將它提供給用戶以便于建立特種IC資格認(rèn)證計(jì)劃。

峰值溫度條件常常出現(xiàn)在車輛的有效生命周期剩下不到10%的期間，對(duì)于在最大工作環(huán)境溫度方面執(zhí)行的1,000小時(shí)慣例壽命測(cè)試(的結(jié)果)接近完好。不過，有時(shí)需要對(duì)較高溫度進(jìn)行更長時(shí)間的測(cè)試，而且，作為IC資格認(rèn)證過程的組成部分，要詳細(xì)說明延長工作壽命測(cè)試壓力的精確特性。

其它要關(guān)心的問題還有跟溫度相關(guān)的電遷移效應(yīng)。電遷移來自傳導(dǎo)電子和擴(kuò)散金屬原子之間的動(dòng)量交換，且對(duì)平均故障時(shí)間有直接影響。在IC中，電通過直接與有效散熱器接觸的薄膜條傳導(dǎo)，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電流產(chǎn)生的熱被傳導(dǎo)到芯片之中，薄膜導(dǎo)體可以承受的電流密度高達(dá)1mA/cm2。在這樣的電流密度，電遷移很大。初始解決方案包括采用含銅高達(dá)4%的合金鋁來提高金屬導(dǎo)體對(duì)電遷移的抵抗力。這種設(shè)計(jì)出現(xiàn)了變化，應(yīng)歸于工藝上的考慮，但是，現(xiàn)在合金鋁中通常仍然要用采用0.5%的銅。

制造條件

當(dāng)然，不僅僅是芯片要承受高工作溫度的影響，整個(gè)電路板必須在最壞條件下工作可靠。盡管采用SI2C可以減少元件和互連的數(shù)量，但是在電路板上不同的元件之間仍然存在互連。這些連接自然要可靠。因此，最近開始采用錫銀銅(SnAgCu)合金無鉛焊；在150C以上，推薦采用銀銅鉍(SnAgCuBi)替代傳統(tǒng)的錫鉛焊(SnPb)。因此，必須根據(jù)汽車環(huán)境對(duì)振動(dòng)、噪聲和溫度的要求，來設(shè)計(jì)電路板和元器件的制造工藝技術(shù)。