芯片的性能與溫度緊密相關(guān)，過(guò)高的結(jié)溫會(huì)致使芯片性能顯著下滑。當(dāng)結(jié)溫升高時(shí)，芯片內(nèi)部晶體管的載流子遷移率降低。載流子遷移率如同電子在半導(dǎo)體材料中的 “奔跑速度”，速度變慢，晶體管的開(kāi)關(guān)速度就會(huì)減慢，直接導(dǎo)致芯片的運(yùn)算速度降低。就像電腦 CPU 在長(zhǎng)時(shí)間高負(fù)載運(yùn)行、結(jié)溫升高后，電腦會(huì)出現(xiàn)明顯卡頓，運(yùn)行程序的速度大不如前。

同時(shí)，高結(jié)溫還會(huì)使芯片的功耗增加。這是因?yàn)榻Y(jié)溫升高，晶體管的閾值電壓發(fā)生變化，導(dǎo)致漏電流增大。漏電流就如同電路中的 “漏電” 現(xiàn)象，額外消耗電能，使得芯片整體功耗上升。這不僅會(huì)造成能源浪費(fèi)，還可能因功耗過(guò)大導(dǎo)致芯片過(guò)熱，陷入惡性循環(huán)，進(jìn)一步降低性能。

可靠性大打折扣

高結(jié)溫會(huì)加速芯片的老化進(jìn)程，極大地降低其使用壽命。在高溫環(huán)境下，芯片內(nèi)部的原子活動(dòng)加劇，可能引發(fā)金屬互連層的電遷移現(xiàn)象。電遷移就像是金屬原子在電流作用下 “搬家”，隨著時(shí)間推移，會(huì)導(dǎo)致金屬互連層出現(xiàn)空洞或開(kāi)路，使芯片內(nèi)部的電路連接出現(xiàn)故障，最終導(dǎo)致芯片失效。

此外，高溫還可能使芯片內(nèi)部的半導(dǎo)體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變材料的電學(xué)性能，影響芯片的正常工作。長(zhǎng)期在高結(jié)溫下工作，芯片的故障率會(huì)大幅增加。例如，在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙等高溫環(huán)境中使用的芯片，如果不能有效控制結(jié)溫，其可靠性將受到嚴(yán)重威脅，可能導(dǎo)致汽車(chē)電子系統(tǒng)出現(xiàn)故障，影響行車(chē)安全。

熱失控風(fēng)險(xiǎn)劇增

倘若結(jié)溫過(guò)高，極有可能引發(fā)熱失控現(xiàn)象。熱失控是一種極為危險(xiǎn)的情況，當(dāng)芯片產(chǎn)生的熱量無(wú)法及時(shí)散發(fā)出去，結(jié)溫持續(xù)升高，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致芯片的功耗增加，而功耗增加又會(huì)產(chǎn)生更多熱量，形成惡性循環(huán)。一旦進(jìn)入熱失控狀態(tài)，芯片的溫度會(huì)迅速上升，短時(shí)間內(nèi)就可能導(dǎo)致芯片永久性損壞，甚至引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重安全問(wèn)題。

以手機(jī)為例，如果手機(jī)在充電時(shí)或長(zhǎng)時(shí)間玩大型游戲過(guò)程中，芯片結(jié)溫過(guò)高且散熱不佳，就可能出現(xiàn)手機(jī)發(fā)燙嚴(yán)重，甚至自動(dòng)關(guān)機(jī)的情況，這很可能就是熱失控的前兆。在一些對(duì)安全性要求極高的應(yīng)用場(chǎng)景，如航空航天、醫(yī)療設(shè)備等領(lǐng)域，熱失控是絕對(duì)不能出現(xiàn)的，否則后果不堪設(shè)想。

電路參數(shù)漂移

高結(jié)溫會(huì)使芯片內(nèi)部的電路參數(shù)發(fā)生漂移。例如，晶體管的閾值電壓會(huì)隨著溫度升高而降低，這會(huì)導(dǎo)致晶體管的導(dǎo)通特性發(fā)生變化，影響電路的邏輯功能。原本設(shè)計(jì)為在特定電壓下導(dǎo)通或截止的晶體管，由于閾值電壓漂移，可能在不該導(dǎo)通的時(shí)候?qū)?，或者在不該截止的時(shí)候截止，從而引發(fā)電路邏輯錯(cuò)誤。

此外，電阻、電容等無(wú)源元件的參數(shù)也會(huì)受到溫度影響而發(fā)生變化。電阻值可能會(huì)隨著溫度升高而改變，電容的容值也可能出現(xiàn)漂移。這些電路參數(shù)的變化會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路的性能偏離設(shè)計(jì)預(yù)期，影響 IC 的正常工作。在高精度的模擬電路設(shè)計(jì)中，電路參數(shù)的微小漂移都可能對(duì)信號(hào)的處理和傳輸產(chǎn)生嚴(yán)重影響，降低系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性。

對(duì)散熱設(shè)計(jì)要求嚴(yán)苛

為了應(yīng)對(duì)高結(jié)溫帶來(lái)的諸多問(wèn)題，IC 設(shè)計(jì)必須配備高效的散熱設(shè)計(jì)，這無(wú)疑增加了設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和成本。在散熱設(shè)計(jì)方面，需要考慮多種因素，如選擇合適的散熱材料、設(shè)計(jì)合理的散熱結(jié)構(gòu)等。常見(jiàn)的散熱材料有金屬散熱器、導(dǎo)熱硅膠等，散熱結(jié)構(gòu)則包括風(fēng)冷、液冷等不同方式。

然而，在實(shí)際應(yīng)用中，要實(shí)現(xiàn)高效散熱并非易事。例如，在一些小型化的電子設(shè)備中，空間有限，難以安裝大型的散熱裝置;在一些對(duì)重量有嚴(yán)格要求的應(yīng)用場(chǎng)景，如航空航天領(lǐng)域，過(guò)重的散熱設(shè)備會(huì)增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)，影響整體性能。此外，散熱設(shè)計(jì)還需要考慮成本因素，過(guò)于復(fù)雜和昂貴的散熱方案可能在實(shí)際應(yīng)用中缺乏可行性。

高結(jié)溫給高溫 IC 設(shè)計(jì)帶來(lái)了性能下降、可靠性降低、熱失控風(fēng)險(xiǎn)增加、電路參數(shù)漂移以及散熱設(shè)計(jì)困難等諸多挑戰(zhàn)。在未來(lái)的 IC 設(shè)計(jì)中，必須通過(guò)創(chuàng)新技術(shù)手段，如研發(fā)新型半導(dǎo)體材料、優(yōu)化電路設(shè)計(jì)、改進(jìn)散熱技術(shù)等，來(lái)有效應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，確保 IC 在高溫環(huán)境下能夠穩(wěn)定、可靠地工作，推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的持續(xù)發(fā)展。