过高的结温会致使芯片性能显著下滑

芯片的性能与温度紧密相关，过高的结温会致使芯片性能显著下滑。当结温升高时，芯片内部晶体管的载流子迁移率降低。载流子迁移率如同电子在半导体材料中的 “奔跑速度”，速度变慢，晶体管的开关速度就会减慢，直接导致芯片的运算速度降低。就像电脑 CPU 在长时间高负载运行、结温升高后，电脑会出现明显卡顿，运行程序的速度大不如前。

同时，高结温还会使芯片的功耗增加。这是因为结温升高，晶体管的阈值电压发生变化，导致漏电流增大。漏电流就如同电路中的 “漏电” 现象，额外消耗电能，使得芯片整体功耗上升。这不仅会造成能源浪费，还可能因功耗过大导致芯片过热，陷入恶性循环，进一步降低性能。

可靠性大打折扣

高结温会加速芯片的老化进程，极大地降低其使用寿命。在高温环境下，芯片内部的原子活动加剧，可能引发金属互连层的电迁移现象。电迁移就像是金属原子在电流作用下 “搬家”，随着时间推移，会导致金属互连层出现空洞或开路，使芯片内部的电路连接出现故障，最终导致芯片失效。

此外，高温还可能使芯片内部的半导体材料发生化学反应，改变材料的电学性能，影响芯片的正常工作。长期在高结温下工作，芯片的故障率会大幅增加。例如，在汽车发动机舱等高温环境中使用的芯片，如果不能有效控制结温，其可靠性将受到严重威胁，可能导致汽车电子系统出现故障，影响行车安全。

热失控风险剧增

倘若结温过高，极有可能引发热失控现象。热失控是一种极为危险的情况，当芯片产生的热量无法及时散发出去，结温持续升高，会进一步导致芯片的功耗增加，而功耗增加又会产生更多热量，形成恶性循环。一旦进入热失控状态，芯片的温度会迅速上升，短时间内就可能导致芯片永久性损坏，甚至引发火灾等严重安全问题。

以手机为例，如果手机在充电时或长时间玩大型游戏过程中，芯片结温过高且散热不佳，就可能出现手机发烫严重，甚至自动关机的情况，这很可能就是热失控的前兆。在一些对安全性要求极高的应用场景，如航空航天、医疗设备等领域，热失控是绝对不能出现的，否则后果不堪设想。

电路参数漂移

高结温会使芯片内部的电路参数发生漂移。例如，晶体管的阈值电压会随着温度升高而降低，这会导致晶体管的导通特性发生变化，影响电路的逻辑功能。原本设计为在特定电压下导通或截止的晶体管，由于阈值电压漂移，可能在不该导通的时候导通，或者在不该截止的时候截止，从而引发电路逻辑错误。

此外，电阻、电容等无源元件的参数也会受到温度影响而发生变化。电阻值可能会随着温度升高而改变，电容的容值也可能出现漂移。这些电路参数的变化会导致整个电路的性能偏离设计预期，影响 IC 的正常工作。在高精度的模拟电路设计中，电路参数的微小漂移都可能对信号的处理和传输产生严重影响，降低系统的精度和稳定性。

对散热设计要求严苛

为了应对高结温带来的诸多问题，IC 设计必须配备高效的散热设计，这无疑增加了设计的复杂性和成本。在散热设计方面，需要考虑多种因素，如选择合适的散热材料、设计合理的散热结构等。常见的散热材料有金属散热器、导热硅胶等，散热结构则包括风冷、液冷等不同方式。

然而，在实际应用中，要实现高效散热并非易事。例如，在一些小型化的电子设备中，空间有限，难以安装大型的散热装置;在一些对重量有严格要求的应用场景，如航空航天领域，过重的散热设备会增加系统负担，影响整体性能。此外，散热设计还需要考虑成本因素，过于复杂和昂贵的散热方案可能在实际应用中缺乏可行性。

高结温给高温 IC 设计带来了性能下降、可靠性降低、热失控风险增加、电路参数漂移以及散热设计困难等诸多挑战。在未来的 IC 设计中，必须通过创新技术手段，如研发新型半导体材料、优化电路设计、改进散热技术等，来有效应对这些挑战，确保 IC 在高温环境下能够稳定、可靠地工作，推动相关领域技术的持续发展。