满足汽车高温应用环境要求的传感器接口IC

现代汽车中传感器的数量近年来快速增长，因为汽车制造商希望改善对关键的汽车动力总成、稳定性和安全应用的监测和反馈。这些传感器当中的许多—特别是在引擎盖中的那些—必须具有在极高工作温度下工作的鲁棒性和可靠性。为了应对这些挑战，最新的混合信号半导体工艺使人们能够制成针对严酷的汽车电子温度的集成传感器接口IC，以极大地简化传感器应用的实现。

汽车电子的设计是为了满足消费者对更高安全性、保密性和舒适性的需求，因而刺激了汽车传感器市场的增长。此外，为了从功能上顺从政府法规对气囊或被动安全的新要求，传感器也是必不可少的。进一步说，根据最近的研究，汽车中传感器的数量从现在到2010年间的增长率有望达到45%。

传感器接口

车载传感器的增长正在点燃了对其周围汽车电子的需求，在此，从本质上看，主要问题是传感器利用各种电子特征如电阻和电容来测量模拟信号，包括温度、压力、速度、加速度和气体浓度。然而，对传感器进行解释和对信息作出反应的主微控制器(MCU)可能需要数字信号输入。因此，在传感器和MCU之间需要信号调理电路，该电路捕获传感器的模拟信号，对其进行滤波、放大并转换为可由微控制器解释的数字信号。近年来，这种电路越来越多地采用传感器接口IC或SI2C。

车载传感器的增长刺激了对SI2C的需求，可是，在这些应用中配置的典型微控制器能力有限，难以管理来自各种传感器的所有信号。随着汽车控制器数量的增加，分布式智能应运而生，其中的处理和管理开销都被委派给传感器接口IC。

与此同时，空间约束限制了电路的SI2C单元的物理尺寸。然而，现在功能、性能和空间问题可以通过应用智能的混合信号半导体技术加以解决，从而让所有汽车模块的功能被集成到单片IC之中。

将应用功能集成到一颗芯片上，就容许该类芯片直接放置在它们管理的传感器附近。相距较近意味着汽车中需要较短的电缆—仅仅需要在模块之间运载信息的车载网络总线的电缆。缩短了电缆，车重也相应地减轻，这就是标准车载网络的优势之一，它进一步降低燃油消耗和有害物质的排放。与传统的、采用分立元件的、较大的模块方案相比，其缺点是SI2C与传感器太接近，常常意味着接口IC要暴露在严酷得多的环境之中。

例如，从温度的观点看，该IC可能暴露于比常温—–40到125C汽车标准的环境温度—更高的使用环境之中。在此，记住一点很重要：对半导体器件的关键考虑是处理节温而不是环境温度的能力。芯片与环境温度之间的差异被称为耗散温度，典型的变化范围是15到25C。这意味着最大汽车工作温度额定为140C，相当于器件的最大工作节温为165C。

此外，最近第一层汽车供应商的研究表明，排气系统附近的环境温度在175C以上，配置在该区域的芯片的相应节温甚至更高(见下图)。因此，汽车SI2C半导体的设计工程师必须采用较为复杂的开发方法，因为要监测电路的热耗散以防止在峰值温度工作期间芯片过热。

复杂的依赖关系

下面举例说明高温的复杂性对集成电路的影响。在整个应用的温度范围内，可以看到非易失性存储器(NVM)单元的门限电压的数值对温度的依赖关系。显然，在设计电路的时候，考虑该温度依赖关系是很重要的。在SI2C电路设计完成之前，要创建晶体管和其它元件的模型，以便让工程师仿真整个电路在工作温度范围内的行为。

除了要配合设计过程，半导体可靠性工程师必须使其资格认证步骤适应温度应用的要求。如下图所示为清晰的温度曲线，必须将它提供给用户以便于建立特种IC资格认证计划。

峰值温度条件常常出现在车辆的有效生命周期剩下不到10%的期间，对于在最大工作环境温度方面执行的1,000小时惯例寿命测试(的结果)接近完好。不过，有时需要对较高温度进行更长时间的测试，而且，作为IC资格认证过程的组成部分，要详细说明延长工作寿命测试压力的精确特性。

其它要关心的问题还有跟温度相关的电迁移效应。电迁移来自传导电子和扩散金属原子之间的动量交换，且对平均故障时间有直接影响。在IC中，电通过直接与有效散热器接触的薄膜条传导，因为大多数电流产生的热被传导到芯片之中，薄膜导体可以承受的电流密度高达1mA/cm2。在这样的电流密度，电迁移很大。初始解决方案包括采用含铜高达4%的合金铝来提高金属导体对电迁移的抵抗力。这种设计出现了变化，应归于工艺上的考虑，但是，现在合金铝中通常仍然要用采用0.5%的铜。

制造条件

当然，不仅仅是芯片要承受高工作温度的影响，整个电路板必须在最坏条件下工作可靠。尽管采用SI2C可以减少元件和互连的数量，但是在电路板上不同的元件之间仍然存在互连。这些连接自然要可靠。因此，最近开始采用锡银铜(SnAgCu)合金无铅焊；在150C以上，推荐采用银铜铋(SnAgCuBi)替代传统的锡铅焊(SnPb)。因此，必须根据汽车环境对振动、噪声和温度的要求，来设计电路板和元器件的制造工艺技术。

Herve Branquart

全球汽车策略市场营销经理

AMI Semiconductor