— （Temp & Drift = “你設計的是當下，系統活在一生”）。高速/電源/類比系統最常見的「量產後、使用一段時間才爆」並不是玄學，而是：溫度把參數推離工作點，時間再把它慢慢推得更遠。溫度係數（TC）、自發熱（self-heating）、熱循環、材料老化、電遷移、氧化與疲勞，會把你原本的 margin 一點一滴吃掉，最後在某個季節、某個負載、某個使用年限，從「偶發」變「必發」。
🎯 單元目標
完成本單元後，你將能夠：• 用「短期溫度變動」與「長期漂移」的時間尺度建立系統直覺
• 分清溫度造成的四大系統後果：頻率漂、阻抗變、時序漂、可靠度退化
• 知道哪些元件最容易被溫度/時間搞到失效：電容、電感、晶振、MOSFET、連接器、焊點、介質材料
• 用 ASCII 心像圖判斷：你是在遇到 TC 漂移、熱循環疲勞，還是熱→電→更熱的正回授
• 把對策回扣到工程：熱設計、降額、閉迴路補償、校準、監測、可靠度試驗（HTOL/TC/Power cycling）
🧭 一、先給一句話總結（超核心）
👉 溫度效應讓參數“立刻偏移”，長期漂移讓參數“永久改變”；兩者共同後果是把你的工作點推離設計中心，讓頻率、阻抗、延遲與損耗逐步惡化，最後 margin 被吃光而失效。
🧠 二、你必須先建立兩個“時間尺度心像圖”
2.1 溫度效應：可逆、快速（秒～分鐘）
例如 R(T)、C(T)、Vth(T)、Rds_on(T) 會隨溫度立即改變。
ASCII（溫度變化 → 參數跟著動）
Temp : __/‾‾‾‾\__
Param : __/‾‾‾‾\__ （跟著跑，可逆）
2.2 長期漂移：不可逆、慢（週～年）
例如 MLCC 老化、焊點疲勞、電遷移、磁材老化、晶振 aging。
ASCII（時間拉長 → baseline 漸漸偏掉）
Time : ─────────────────>
Param : ‾‾‾‾\____\____\__ （慢慢走偏，回不來）
工程直覺：
👉 系統不是死在「某一次溫度」，而是死在「溫度反覆 + 時間累積」。
⚡ 三、溫度效應與長期漂移的“五大根本機制”
機制 1：溫度係數（TC）→ 工作點立刻偏移
- 電阻：R 隨溫度改變（TCR）
- 電容：介質材料有 TC（且常伴隨 DC bias 效應）
- 半導體：Vth、載子遷移率、漏電、增益、延遲都會變
系統後果：
• 類比偏壓跑掉、增益變動
• 數位延遲變慢、時序 margin 變薄
• 濾波/共振頻率漂移
機制 2：自發熱（Self-heating）→ 熱→電→更熱的正回授
功耗上升 → 溫度上升 → 參數變差 → 功耗再上升。
典型例子：MOSFET Rds_on(T)、漏電 I_leak(T)、磁性元件損耗。
ASCII（正回授）
Power ↑ → Temp ↑ → Loss ↑ → Power ↑ → ...
工程結論：
👉 你若沒有降額與散熱，系統會自己把自己推向最壞角落。
機制 3：熱循環（Thermal cycling）→ 焊點/封裝/連接器疲勞
反覆熱脹冷縮造成機械應力：
• BGA 焊點裂
• 連接器接觸電阻上升
• 封裝/板材界面剝離
這種通常是「用了一段時間才出現」的間歇性故障。
ASCII（接觸劣化 → 間歇性）
Contact R: low → 變動 → 偶發跳高 → 永久高
Symptom : OK → 偶發錯 → 常態錯
機制 4：材料老化（Aging）→ 電容/晶振/磁材慢慢走偏
常見：
• MLCC：容量隨時間下降（材料 aging）
• 晶振：頻率 aging，且溫度會加速
• 磁性元件：磁導率/損耗特性長期變動
系統後果：
• PDN Z(f) 變高、反共振更尖 → PI 變差
• 時鐘誤差累積、抖動與鎖定裕量變薄
• 濾波器中心頻偏、EMI 變難壓
機制 5：電遷移/氧化/腐蝕（Reliability drift）→ 最後直接壞
長期高溫 + 高電流密度會造成：
• 金屬線電遷移（開路/電阻上升）
• 接點氧化/腐蝕（接觸劣化）
• 介電材料劣化（漏電上升）
工程直覺：
👉 很多「突然死」其實是「慢慢爛到臨界點」。
🧠 四、溫度與漂移對系統最典型的“四種後果”
後果 1：頻率/相位漂 → PLL/時鐘/通訊錯誤率上升
• 晶振頻率漂 + PLL loop 參數漂 → jitter 變大
• SERDES margin 被吃掉 → CRC error、重傳增加
後果 2：阻抗曲線漂 → PI/EMI 更難控
• 電容有效值下降、ESR/ESL 變動 → PDN Z(f) 上升或尖峰移位
• 振鈴更尖 → EMI 更高頻
後果 3：延遲漂 → setup/hold margin 變薄
• 溫度升高常讓邏輯延遲變慢（依製程/電壓條件而定）
• 你本來剛好過的 timing 會在高溫 corner fail
後果 4：接觸/焊點/互連劣化 → 間歇性、難抓的故障
• 插拔、振動、熱循環後更明顯
• 常見症狀：某條 link 偶爾掉、重開機又好
🧩 五、你看到的症狀，如何判斷是“溫度效應”還是“長期漂移”？
- 機器熱了才爆，冷了就好
→ 多半是溫度效應（TC、self-heating、PI droop 加劇） - 一開始都好，用幾個月後開始偶發，且越來越頻繁
→ 多半是長期漂移（老化、熱循環疲勞、接觸劣化） - 同一台在夏天爆、冬天正常
→ 溫度把你推到 corner（頻率/延遲/PDN） - 換新板子立刻正常
→ 很可能是不可逆漂移（焊點/接點/元件老化）
🛠️ 六、對抗溫度效應與漂移的“工程武器庫”（按優先級）
- 熱設計與降額（第一優先，沒有它一切白搭）
• 功耗估算 + 熱路徑（散熱片、導熱墊、銅箔、風道） • 元件降額（電壓/電流/溫度）避免逼近極限 • 避免熱點集中（hotspot 會加速所有漂移） - Corner 設計：高溫 + 老化後仍能過
• 把“老化後的參數”當成新的最壞值來設計 • PDN、時鐘、時序、濾波器都要做 worst-case - 閉迴路補償與校準（讓系統能自我修正）
• 溫度補償（temp sensor + compensation table） • 週期性校準（clock trim、offset trim、ADC/DAC 校準） - 監測與預警（別等它死）
• 監測 Vrail droop、溫度、錯誤率（BER/CRC）、重傳率 • 出現趨勢就降速/降載/保護模式 - 可靠度試驗（把“未來問題”提前變成“現在可見”）
• HTOL（高溫操作壽命） • Thermal cycling（熱循環） • Power cycling（功率循環） • 高溫高濕（腐蝕/漏電）
🧪 SYSTEM 實驗題（105/120）
實驗名稱
溫度與漂移加速驗證：用「溫箱/加熱 + 長時間運行」觀察 PDN 阻抗、時鐘漂移、錯誤率與接觸劣化的趨勢（ASCII 強化版）
🎯 實驗目的
- 分辨：可逆溫度效應 vs 不可逆長期漂移
- 找出最敏感參數：溫度一升，哪個指標最先惡化（droop/BER/jitter）
- 驗證：降額/散熱/補償/監測能把失效從“必然”改成“可控”
🧰 器材（教學友善）
• 溫控來源：溫箱（最好）/加熱板/熱風槍（教學可用）
• 溫度量測：熱電偶/IR（至少能相對比較）
• 示波器：看 Vrail droop、振鈴、clock 波形
• 錯誤統計：CRC/BER/重傳率計數（用軟體 log 也行）
• 長時間運行腳本（持續跑固定 pattern/負載）
🔧 實驗架構與做法
A) 溫度掃描：找“立刻偏移”的指標
- 室溫 baseline
- 升溫到 T1/T2/T3（每階穩定後量一次）
- 量：Vrail droop、jitter/眼圖、CRC/BER 預期： 👉 你會看到某些指標隨溫度快速惡化（這就是你的 TC/熱敏感度）
B) 長時間運行：找“慢慢走偏”的指標
- 在高溫/高負載條件持續跑數小時～數天（教學可縮短）
- 觀察錯誤率是否出現趨勢上升或間歇性尖峰 預期： 👉 漂移通常先表現為「偶發變多」，最後變「常態錯」
C) 對策驗證：散熱/降額/補償
- 加強散熱或降低負載/降速
- 加入溫度補償或保護策略 預期： 👉 趨勢曲線被壓平，系統回到可控範圍
🧠 本單元一句話
🌡️ 溫度效應讓參數立刻偏移，長期漂移讓參數永久改變；兩者共同把你的工作點推離設計中心，讓頻率、阻抗、延遲與損耗逐步惡化，最後 margin 被吃光而失效。做熱設計與降額、用 corner 設計面對老化、再加監測與補償，你才能把“時間”變成可設計的變數。
