半导体芯片温度是由什么决定?过热对半导体芯片的损伤是什么?-电力元件展2025

半导体芯片的温度及其过热的影响是电子设备可靠性和性能的关键因素。半导体芯片温度过高会引发电迁移、热载流子效应、栅氧层击穿等可靠性问题，导致性能下降或永久损坏。高温还会加速材料老化，引发封装开裂、数据错误，甚至烧毁芯片，因此必须通过散热设计和温控机制严格限制工作温度。

半导体芯片温度是由什么决定?电力元件展2025告诉你!

功耗(Power Dissipation)

动态功耗：主要由晶体管开关操作产生，与时钟频率、负载电容和电压平方成正比。

静态功耗：由漏电流(Leakage Current)引起，随工艺尺寸缩小(如纳米级制程)显著增加，尤其在高温下漏电流呈指数级上升。

工作负载

高计算负载(如CPU/GPU满负荷运行)会激活更多晶体管，导致局部热点(Hot Spots)，例如多核芯片的某些核心温度可能远高于平均值。

散热设计

热阻(Thermal Resistance, θJA)：从芯片结(Junction)到环境的热阻路径，包括封装材料、散热器、风扇效率等。例如，FCBGA封装比QFN具有更低热阻。

热界面材料(TIM)：硅脂或金属垫片的导热性能直接影响热量传递效率。

环境条件

环境温度升高(如夏季或密闭空间)会降低散热效率，导致芯片结温(Tj)上升。例如，汽车电子需满足-40°C~125°C的宽温要求。

制程工艺

先进制程(如7nm/5nm)的晶体管密度更高，单位面积功耗更大，但通过FinFET/GAA结构优化可改善散热。

过热对半导体芯片的损伤是很严重，我们继续往下看。

电迁移(Electromigration)

高温加速金属导线(如铜互连)中的电子碰撞，导致原子位移形成空洞(Voids)或堆积(Hillocks)，最终引发断路或短路。例如，超过150°C时电迁移速率显著增加。

热载流子效应(Hot Carrier Injection, HCI)

高电场下载流子获得足够能量穿透栅氧层，导致阈值电压(Vth)漂移，晶体管性能退化。28nm以下工艺中此效应更显著。

栅氧层击穿(Time-Dependent Dielectric Breakdown, TDDB)

高温高压下栅氧层(SiO₂或High-k材料)绝缘性逐渐失效，漏电流增加，最终击穿。每升高10°C，TDDB寿命可能减少50%。

热应力与封装失效

材料热膨胀系数(CTE)不匹配(如硅芯片与有机基板)导致焊接点开裂或分层(Delamination)，常见于功率芯片的循环热负载下。

性能与可靠性下降

参数漂移：高温下载流子迁移率降低，延迟增加，时钟频率被迫降低(如CPU降频)。

数据错误：SRAM/DRAM的存储单元在高温下漏电加剧，可能导致比特翻转(Bit Error)。

灾难性故障

瞬时过热(如散热器脱落)可能直接烧毁芯片，表现为短路或熔融(可见烧毁痕迹)。