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，因為汽車制造商希望改善對關(guān)鍵的汽車動力總成、穩(wěn)定性和安全應(yīng)用的監(jiān)測和反饋。這些傳感器當中的許多?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)對這些挑戰(zhàn)，最新的混合信號半導體工藝使人們能夠制成針對嚴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)用的實現(xiàn)。

汽車電子的設(shè)計是為了滿足消費者對更高安全性、保密性和舒適性的需求，因而刺激了汽車傳感器市場的增長。此外，為了從功能上順從政府法規(guī)對氣囊或被動安全的新要求，傳感器也是必不可少的。進一步說，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到45%。

傳感器接口

車載傳感器的增長正在點燃了對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量模擬信號，包括溫度、壓力、速度、加速度和氣體濃度。然而，對傳感器進行解釋和對信息作出反應(yīng)的主微控制器(MCU)可能需要數(shù)字信號輸入。因此，在傳感器和MCU之間需要信號調(diào)理電路，該電路捕獲傳感器的模擬信號，對其進行濾波、放大并轉(zhuǎn)換為可由微控制器解釋的數(shù)字信號。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。隨著汽車控制器數(shù)量的增加，分布式智能應(yīng)運而生，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，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)用智能的混合信號半導體技術(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，這就是標準車載網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢之一，它進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，其缺點是SI2C與傳感器太接近，常常意味著接口IC要暴露在嚴酷得多的環(huán)境之中。

例如，從溫度的觀點看，該IC可能暴露于比常溫??40到125C汽車標準的環(huán)境溫度?更高的使用環(huán)境之中。在此，記住一點很重要：對半導體器件的關(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半導體的設(shè)計工程師必須采用較為復(fù)雜的開發(fā)方法，因為要監(jiān)測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)雜性對集成電路的影響。在整個應(yīng)用的溫度范圍內(nèi)，可以看到非易失性存儲器(NVM)單元的門限電壓的數(shù)值對溫度的依賴關(guān)系。顯然，在設(shè)計電路的時候，考慮該溫度依賴關(guān)系是很重要的。在SI2C電路設(shè)計完成之前，要創(chuàng)建晶體管和其它元件的模型，以便讓工程師仿真整個電路在工作溫度范圍內(nèi)的行為。

除了要配合設(shè)計過程，半導體可靠性工程師必須使其資格認證步驟適應(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資格認證計劃。

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，對于在最大工作環(huán)境溫度方面執(zhí)行的1,000小時慣例壽命測試(的結(jié)果)接近完好。不過，有時需要對較高溫度進行更長時間的測試，而且，作為IC資格認證過程的組成部分，要詳細說明延長工作壽命測試壓力的精確特性。

其它要關(guān)心的問題還有跟溫度相關(guān)的電遷移效應(yīng)。電遷移來自傳導電子和擴散金屬原子之間的動量交換，且對平均故障時間有直接影響。在IC中，電通過直接與有效散熱器接觸的薄膜條傳導，因為大多數(shù)電流產(chǎn)生的熱被傳導到芯片之中，薄膜導體可以承受的電流密度高達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4%的合金鋁來提高金屬導體對電遷移的抵抗力。這種設(shè)計出現(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

當然，不僅僅是芯片要承受高工作溫度的影響，整個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)境對振動、噪聲和溫度的要求，來設(shè)計電路板和元器件的制造工藝技術(shù)。