众所周知，温度是影响电子产品质量的关键因素。随着时间的推移，产品性能将逐渐变弱。那么，为什么这种影响会发生呢？
热应力和热应变
硅芯片由多种材料封装而成。图1-3所示为某Die-down PBGA芯片内部封装结构。整个芯片包含了多种不同的材料，而其热膨胀系数各不相同。由于芯片被强制焊在单板上，温度变化导致的热应变被限制在固有的空间内，芯片内部便会出现挤压、拉扯。这些相互之间的作用力，在长时间的积累下，就可能造成材料产生机械裂纹，导致芯片失效。极端情况下，会瞬间诱发断裂，造成芯片永久性损坏。
图1-3 Die-down
PBGA芯片封装结构示意图
下表为常见封装材料的热膨胀系数[3] [7]：
表1-1 常见封装材料的热膨胀系数[3][7]
器件炸裂
对于有液态介质存在的元器件，温度的上升还会导致更为极端的失效表现。例如水桶电容的爆浆。无论根本机理如何，内部温度过高都是导致电容爆浆的直接原因。当温度升高时，有一个加速恶化的现象导致电容失效：
1.温度升高，底部用来隔绝空气中水气的橡胶塞气密性变差，水分更容易入侵电容内部；
2.水分进入电容内部后，会和内部介质发生化学反应，产生气体，而更高的温度意味着更快的反应速度，因此高温下电容内部气体逐渐增多，导致气压升高，器件炸裂风险提升；
3.极限高温下，电容内部电解液还会沸腾，压力骤然升高。当这些效应产生的综合压力超过电解电容的铝外壳承受压力的时候，就会产生爆裂失效。
图1-4 爆裂之后的电容
注：劣质电容内部的介质成分控制不好，相互之间发生化学反应产生气体，致使内部形成高压，也可能导致爆浆。
腐蚀
芯片正常运行时，内部存在着一个强电场。当外界环境中的水气、盐分触及芯片表面，就可能诱发电化学反应。腐蚀的本质是化学反应，通常情况下，化学反应速率与温度的关系可以表达为：
R = R0 x e(-Ea/k/T)
其中R为化学反应速率，R0为特定化学反应在参考温度下的实测反应速率，Ea为电子激活能量，K为玻尔兹曼常数，T为温度。可以看到，化学反应速率随温度的升高呈指数级上涨。因此，高温情境下，电子元器件中某些电化学腐蚀将会加剧。
氧化物分解
芯片的腐蚀是与外界环境强相关的现象。当使用环境极好，周围无可与芯片材料反应的物质时，芯片内部的组成物质也会发生分解。由于同属于化学反应，温度对其速率的增加，遵循类似的规律。内部的物质发生分解后，电气性能显然会发生巨大变化（反应物和生成物已经不是同一种物质了），芯片性能与内部分解反应进行的程度强相关。
芯片功耗
芯片消耗能源进行相关运算是其发热的本源。芯片功耗一般分两种：来自开关的动态功耗，和来自漏电的静态功耗。
动态功耗又可分为电容充放电（包括网络电容和输入负载），还有当P/N MOS 同时打开形成的瞬间短路电流。静态功耗则是于绝缘材料绝缘性不足，本应关闭的部分无法完全断电，产生的多余功耗，专业术语来说是逻辑门没有活动或者没有翻转时产生的能量损耗，p(static)=V(dd)·I(leakage)，Vdd是晶体管工作电压，I
leakage是漏电流。短时间内(使用半导体材料来实现数据或信息的处理时代)，随着芯片制程工艺的提升，晶体管的尺寸在不断下降[4]，芯片的动态功耗会下降，但关断状态下晶体管的漏电电流却越来越高。由此导致静态功耗在芯片总耗能总占比越来越高[5]。
表1-2 不同工艺的DSP的典型静态功耗在总功耗中所占的比例[5]
制程工艺的先进化是不可逆的。当前，根据台积电的数据，5nm技术在2020年量产，未来更是会考虑进一步提升到2nm[4]。因此，可以预见芯片静态功耗的占比还会上升。这里需要强调的另一点是静态功耗还会随温度的上升呈指数级上升（在当前芯片工作温度范围内）。
这是因为，当温度升高，晶体管内载流子的热运动加剧，部分原本价带上的电子会跃迁到导带，使得材料的导带变宽，禁带变窄。禁带变窄即半导体的绝缘性下滑，这使得关断状态下芯片的漏电电流随温度的升高而升高。静态功耗与漏电电流呈正相关，因此静态功耗也将随温度的升高而升高。这一效应会随着制程的不断先进化越来越明显。
图1-5 TMS320C6455（90nm制程）静态功耗与温度的关系[5]
温度对功耗的影响正在变得不可忽略，这是因为，由温度上升诱发的功耗上升，会进一步加重产品散热负担，使得温度变得更高，形成循环恶化。这就导致了一个临界点：
温度上升T，导致芯片功耗上升P。解决这些新增的功耗P，需要增加温升T1。如果设备的热设计方案中，实际芯片到环境的热阻大于P/T1，那么将导致温度持续上升，直到挂机。
这种热-功耗关系将可能使得温度成为像短路、断路那种对产品有立刻影响的因素，而不仅仅是当前对产品温度触感或长期可靠性有影响的因素。从这个角度推测，热设计在产品整体设计中扮演的角色将会越来越重要。
电气性能变化
芯片实际运行的最优点只能位于某一个温度点或一个较小的温度范围内，当芯片的温度很高或很低时，由于各类物质的电气性能相对设计温度已经发生较大变化，芯片将无法实现预期的功能。因此，电气性能的变化，也是温度的关键影响之一。本书第十七章详述了温度对材料磁导率、介电常数、介电损耗、磁滞损耗等参数的影响，并解释了这种影响在元器件性能表现方面带来的差异。而且，半导体材料的演进主要变化的就是这些电气参数[6]。
本章参考文献
[1] AVIP U S. Air Force Avionics Integrity Program[J]. Notes, 1989.
[2]梅毅, 陈郁阳, 袁川, 等. LED 温度特性的测试[J]. 照明工程学报, 2007, 18(1): 17-20.
[3] S. Kasap, P. Capper (Eds.), Springer Handbook of Electronic and Photonic
Materials, DOI 10.1007/978-3-319-48933-9_53.2017等等。
(完)
作者简介：
陈继良，著有书籍《从零开始学散热》。该书籍在京东或天猫，机械工业出版社旗舰店均有销售。