ADI:高温电子设备对规划和可靠性带来应战

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简介

许多职业都需求可以在极点高温等恶劣环境下牢靠作业的电子设备。按照传统做法，在规划需求在常温规模之外作业的电子设备时，工程师有必要选用自动或被迫冷却技能，但某些运用或许无法进行冷却，或是电子设备在高温下作业时更为有利，可进步体系牢靠性或下降本钱。这便提出了影响电子体系方方面面的许多应战，包含硅、封装、认证办法和规划技能。

高温运用

最陈旧以及现在最大的高温电子设备(>150°C)运用领域是地下石油和天然气职业（图1）。在该运用中，作业温度和地下井深成函数联系。全球地热梯度一般为25°C/km深度，某些区域更大。

曩昔，钻探作业最高在150°C至175°C的温度规模内进行，可是，因为地下易钻探天然资源储藏的削减和技能进步，职业的钻探深度开端加深，一起也开端在地热梯度较高的区域进行钻探。这些恶劣的地下井温度超越200°C，压力超越25 kpsi。自动冷却技能在这种恶劣环境下不太实际，被迫冷却技能在发热不限于电子设备时也不太有用。

地下钻探职业中高温电子设备的运用非常杂乱。首要，在钻探作业进程中，电子设备和传感器会引导钻探设备并监控其状况是否正常。跟着定向钻探技能的呈现，高温地质导向仪器有必要将钻孔方位精确引导至地质方针。

钻孔时或钻孔刚完毕时，精细的井下仪器会搜集周围的地质结构数据。这种做法称为测井可以丈量电阻率、放射性、声响传达时刻、磁共振和其他特点，以便确认地质结构特性，如岩性、孔隙度、浸透率，以及水/烃饱和度。经过这些数据，地质学家可以从结构上对岩石类型进行判别，还可以判别存在的流体类型及其方位，以及含流体区域能否提取出满意数量的碳氢化合物。

最终，在完结和出产阶段，电子体系会监控压力、温度、振荡和多相位活动，并自动操控阀门。要满意这些需求，需求有一个完好的高功用元件信号链（图2）。体系牢靠性是最重要的要素，因为设备毛病会形成极高的停机本钱。在地下数英里作业的钻柱假如呈现电子组件毛病，需求一天以上的时刻来检修及替换，操作杂乱深水海上钻井渠道每天大约需求花费100万美元！

图2.简化测井仪器信号链:除了石油和天然气职业外，航空电子等其他运用对高温电子器材的需求也日渐增多。现在，航空业正日益向”多电子飞机”(MEA)的趋势开展。这一计划一方面是为了用散布式操控体系代替传统集中式发起机操控器。¹集中式操控需求选用由数百个导体和多个衔接器接口组成的巨大重型线束。散布式操控计划则将发起机操控体系放置在离发起机较近的当地（图3），将互连的杂乱性下降了10倍，使飞机的重量减轻了数百磅，²一起添加了体系牢靠性（估计值在某种程度上与衔接器引脚数成函数联系（依据MIL-HDBK-217F核算）³

可是，价值是发起机邻近的环境温度会上升（–55°C至+200°C）。尽管该运用中电子设备可以进行冷却，但仍然会发作晦气影响，原因有二：首要，冷却会添加飞机的本钱和重量，其次（也是最重要的一点），冷却体系毛病会导致操控要害体系的电子设备呈现毛病。

MEA计划另一方面是要用电力电子和电子操控代替液压体系，以进步牢靠性，削减维护本钱。抱负状况下，操控电子设备有必要离执行器很近，这也会发作较高的环境温度。

轿车业供给了选用高温电子设备的另一种新式运用。和航空电子相同，轿车业也在从纯机械和液压体系向机电一体化体系改变。⁴这就需求有离热源更近的定位传感器、信号调度，以及操控电子设备。

最高温度和露出时刻依车辆类型和车辆中电子器材的方位而定（图4）。例如，高集成的电气和机械体系（如变速箱装备和变速箱操控器），可以简化轿车子体系的出产、测验和维护进程。⁵电气车辆和混合电动车需求高能量密度的电子设备，用作转换器，电机操控，充电电路这些和高温相关的部分。

运用超出数据手册温度规范的IC

曩昔，因为无法取得高温IC，石油和天然气等职业的高温电子设备规划师只能运用远高于额定规范的规范温度器材。有些规范温度的IC的确能在高温下作业，可是运用起来非常困难，而且非常危险。例如，工程师有必要确认或许选用的器材，充沛测验并描绘其温度功用，并验证其长时刻牢靠性。器材的功用和寿数经常会大幅递减。这一进程充溢应战且贵重耗时：

• 器材验证需求用高温印刷电路板(PCB)和设备在试验室烤箱中进行测验，测验时刻至少应到达使命剖面所需的时刻。因为或许面对新的毛病机制，测验速度很难加快。测验进程中如呈现毛病，需求再次挑选器材并经过长时刻测验，然后延伸项目时刻。
• 数据手册规范之外的作业状况无法取得确保，功用或许随器材批次而改变。详细而言，IC工艺改变会在极点温度时导致意外毛病。
• 塑料封装只在不超越约175°C时坚持鲁棒，且作业寿数削减。在这一温度限值邻近，假如不进行贵重耗时的试验室毛病剖析，很难区别毛病是因封装仍是硅资料引起的。陶瓷封装的规范器材供货较为稀缺。
• 恶劣环境下运用的器材一般不只要能接受高温，还要能接受冲击和振荡。许多工程师都喜爱选用带引脚的封装（如DIP或鸥翼SMT），因为这些封装可以为PCB供给愈加鲁棒的装置。因为其他职业倾向于小型无引脚封装，会进一步约束器材的挑选。
• 最好选用裸片方式的器材，尤其是在器材只供给塑料封装的状况下。然后，芯片可以选用契合高温的密封封装或多芯片方式从头封装。可是，可以在高温下作业的器材本来就不多，可以经过测验的芯片就更少。
• 因为时刻和测验设备约束，业界工程师或许倾向于将器材的条件约束在特定的运用电路中，而不是包含一切的要害器材参数，使器材难以不经进一步测验便从头用于其它项目。
• 数据手册未列出的要害IC特点（如金属互连的电子搬迁）或许在高温时引起毛病。

针对高温规划并经过认证的IC

走运的是，凭仗最近的IC技能，可以确保以数据手册规范在高温下牢靠作业的器材现已面世。工艺技能、电路规划和布局技能均有所开展。

要想在高温条件下顺畅作业，有必要可以一起办理多个要害器材特性。其间一项最重要也是最为人熟知的应战是因为衬底漏电流上升而发作。其他要素包含载流子搬迁率, 下降、V_T, β, 和 V_SAT, 等器材参数改变、金属互连电子搬迁添加，以及电介质击穿强度下降。⁶尽管规范硅可以在125°C以上的军用温度要求下正常作业，⁷但每上升10°C，规范硅工艺中的走漏就会添加一倍，许多精细运用都不能接受这一状况。

沟道阻隔、绝缘硅片 (SOI)和规范硅工艺中的其他改变都会大大下降走漏，使高功用作业温度远高于200°C。图5所示为SOI双极性工艺削减走漏区域的进程。碳化硅(SiC)之类的宽带隙资料会使功用进一步进步，试验室研讨显现，碳化硅IC可在高达600°C下作业。可是，SiC是一种新式的工艺技能，现在市场上只要功率开关之类的简略器材。

外表扩大器: 用于地下钻探的外表扩大器需求具有高精度，以便扩大常见噪声环境中的弱小信号。这种专用扩大器一般是丈量前端的第一个器材，因而，其功用对整个信号链的信能至关重要。

ADI公司开发团队从一开端就选定 AD8229 外表扩大器用于高温作业环境，且一直针对这一意图进行规划。为了满意其共同的功用要求，还选用了专有的SOI双极性工艺技能。规划人员选用了特别电路技能，以确保可以在各种器材参数下作业，例如基极-发射极电压和正向电流增益。

IC布局也会显着影响AD8229的功用和牢靠性。为了在整个温度规模内坚持低失谐和高共模抑制比(CMRR)，布局应补偿互连和温度系数的改变。此外，仔细剖析要害部分的电流密度可以下降电子搬迁的影响，并进步极点条件下的牢靠性。相同，规划人员还会猜测毛病条件，以避免过早击穿。

凭仗鲁棒的工艺、电路规划和布局技能，器材可以满意整个温度规模内最苛刻的精度和牢靠性要求。

封装考虑要素

高温功用化硅的选用只相当于完结了一半的作业。在高温下进行芯片封装并将其衔接至PCB绝非易事。高温时许多要素都会影响封装完好性（图6）。

芯片粘着 资料可以确保将硅衔接至封装或基板。许多在规范温度规模可以安稳运用的资料都具有较低的玻璃化改变温度(T_G)，不合适在高温下作业。对芯片、芯片粘着资料和基板的热膨胀系数(CTE)进行匹配时需求特别留意，以避免芯片在宽温度规模内重复作业时遭到应力或开裂。芯片上即便遭到少数的机械应力，也或许会导致电气参数发作改变，到达精细运用不行接受的水平。关于需求选用热衔接和电气衔接衔接至封装基板的功率器材，或许需求运用金属芯片粘着资料。

线焊是芯片和引脚互连的一种办法，这种办法是在芯片外表上从引脚架构至焊盘用金属线衔接。对高温下的线焊牢靠性而言，线所用金属与焊盘金属化层的兼容性是一大问题。因为焊接金属兼容性差发作的毛病有两方面，一方面是鸿沟接口的金属间化合物 (IMC)成长，这会导致焊接易碎；另一方面是分散（柯肯达尔效应），这会在接口处发作空泛，减小焊接强度并添加其电阻。惋惜的是，业界最常见的金属组合之一（金线和铝焊盘金属化层）在高温时就简单发作上述现象。图7是金/铝焊接的剖面图，该图显现了IMC的成长状况，在高温条件下经过500小时后会影响焊接的完好性。

从图8中可以看到，高温焊接失利后呈现了显着的金/铝金属间化合物成长和柯肯达尔空泛。更糟的是，溴和氯等卤素（时见于塑封资料）在高温时也会引起鸿沟接口腐蚀，加快焊接失利（幸而业界已转用”绿色”无卤素塑封资料）。因而，焊线和焊盘最好选用相同金属（单金属焊接），以避免上述不良影响。假如不能选用相同金属，工程师应当挑选IMC成长和分散率满意慢的金属，以确保在所需的寿数内牢靠运用。

图9显现了单金属焊接在高温下的鲁棒性。从焊接剖面来看，195°C下经过3000小时后未呈现IMC成长痕迹。

IC封装也有必要可以接受恶劣环境下施加的应力。塑料封装尽管到达职业规范，但传统上只能在150°C的额定温度下继续运用。跟着近期高温运用日益遭到重视，研讨标明，这一额定温度可增至175°C，但只能继续较短时刻。从封装结构来看，175°C是某些资料（如塑封资料）超越玻璃化改变温度的温度点。在T_G以上温度作业会使要害参数（如CTE和曲折模量）发作显着机械改变，并因热应变引起分层及开裂等焊接失利现象。⁸

因而，高温运用时最好选用密封陶瓷封装（图10）。密封可以避免导致腐蚀的湿气和污染进入。惋惜的是，密封封装一般较大较重，且价格比同类塑料封装贵得多。在极点温度要求(< 175°C)较少的运用中，最好选用塑料封装，可以削减PCB面积、下降本钱，或是供给更好的振荡顺应性。对需求选用密封封装和高器材密度的体系而言，高温多芯片模块是一种比较合理的处理计划。可是，这种计划需求供给已知合格芯片。

封装引脚装备和金属化状况也有必要加以评价。外表贴装器材质量仅取决于焊盘面积以及铜层和预浸资料之间的粘结质量。另一方面，通孔DIP装备（业界最牢靠的封装之一）也可供给鲁棒的冲击和振荡功用。极点状况下，要想进一步进步衔接强度，还可以曲折电路板底侧引脚，并将其”钉”在PCB上，可是，通孔引脚摆放不允许电路板低侧的元件密布散布，这或许是空间约束严厉的井下仪器等运用面对的一大问题。

许多状况下，鸥翼SMT引脚装备是一种可行的代替办法，可是，无引脚SMT在许多高温环境下面对高冲击和振荡时不行鲁棒。选用SMT器材时，规划人员应当考虑其高度和质量。选用高温环氧树脂可以进步衔接鲁棒性，可是会添加制形本钱，加大修理难度。在一切状况下，引脚金属化层都有必要兼容高温焊料。

最常见的规范焊料合金熔点低于200°C。可是，有一些现成的合金可以列入”高熔点”(HMP)合金，其熔点远高于250°C。即便在这些状况下，对任何受应力影响的焊料而言，其最高引荐作业温度也比其熔点低40°C左右。例如，规范HMP焊料合金由5%的锡、93.5%的铅和1.5%的银组成，熔点为294°C，但其引荐作业温度仅为255°C。⁹留意，BGA （球栅阵列）封装有工厂粘结的焊料球，熔点或许不会太高。

最终，PCB自身也或许是焊接失利的原因。规范FR4资料在130°C至180°C时可在恣意方位发作玻璃化改变，依详细成分而定。假如在该温度以上运用（即便时刻较短），也会呈现分散和分层。聚酰亚胺是一种牢靠的代替资料（Kapton中就选用了这种资料），其T_G高达250°C，详细依成分而定。可是，聚酰亚胺的吸湿性极强，或许会使PCB因为各种机制敏捷呈现毛病，因而，操控其在湿气中的露出至关重要。近些年来，业界引进了吸湿性较小且能在高温时坚持完好的新式层压资料。

验证、认证与测验



在试验室验证高温器材并非易事，因为工程师需求归纳上述各项技能才能在极点温度下测验器材功用。除了在制作测验夹具时选用特别资料外，测验工程师还有必要慎重操作环境试验箱，使体系调整至所需的温度改变。因为膨胀系数不匹配，快速温度改变会对PCB板上的焊点形成危害，发作翘曲变形，并最终使体系过早呈现毛病。业界选用的原则是将温度改变率坚持在每分钟3°C以下。

为了加快寿数与牢靠性测验进程，在高温下测验电子器材是一种可以接受的办法。这儿需求引进一个加快系数α，依据Arrhenius方程核算：

其间E_a为激活能，k为玻尔兹曼常数，T_a为运用时的预期作业温度，T_s为应力温度。尽管加快老化问题对规范产品影响不大，可是，应力温度远高于额定温度或许会引起新的毛病机制，并导致成果不精确。因而，为确保AD8229等高温器材的终身牢靠性，需求在210°C的最高额定温度下进行为期1000小时（大约六周）的高温作业寿数 测验(HTOL)。在低温状况下，预期寿数可以选用图11所示的加快度联系进行猜测

高温IC的牢靠特性测验还存在其他阻止要素。例如，选用的测验和丈量体系牢靠性取决于其最单薄的环节。这意味着长时刻处于高温下的每个要素自身的牢靠性都有必要优于IC。体系假如不牢靠，发作的数据就无法表现器材的长时刻牢靠性，而且使得整个进程不断重复，既贵重又耗时。计算技能可以进步测验成功率，包含精确加大测验样本，以添加差错余量，避免因DUT（受测验器材）毛病导致体系过早呈现毛病。

另一个阻止要素由确保极点状况下功用参数所需的出产环节形成，例如测验、勘探和调整。开发团队需求针对高温产品对这些环节进行定制。

高温体系规划考虑要素

高温作业电路的规划人员有必要考虑IC参数和无源器材在宽温度规模内的改变，特别重视其在极点温度下的特性，以确保电路可以在方针约束内作业。例如失谐和输入偏置漂移、增益差错、温度系数、电压额定值、功耗、电路板走漏，以及其他分立器材（如ESD运用的器材和过压维护器材）的固有走漏。例如，在高源阻抗与某扩大器输入端串联时，无用的漏电流（非扩大器自身的偏置电流）会发作失调，然后引起偏置电流丈量差错（图12）。

在一切状况下，高温作业都会加剧由焊剂、尘埃和冷凝等污染引起的电路板走漏。合理的布局有助于最大程度地削减上述影响，详细做法是在灵敏节点之间供给满意的空间，例如将扩大器输入和含噪声的供电轨别离。

运算扩大器和外表扩大器的规范引脚摆放办法是将其间一个输入端放置在负电源端邻近。这种做法会大大下降对PCB装置后焊剂残留的耐受才能，这些焊剂残留会添加走漏。为了削减走漏，添加高频CMRR，AD8229选用了与ADI公司其他精细外表扩大器相同的高功用引脚摆放（图13）。

二极管、瞬态电压抑制器(TVS)和其他半导体器材的走漏都会跟着温度升高成指数递加，而且许多状况下都比扩大器的输入偏置电流高出许多个数量级。在这些状况下，规划人员有必要确保极点温度下的走漏不会下降电路规范，使其超出所需约束。

现在，有多种无源器材可供高温作业环境运用。电阻和电容在各种电路规划中非常常见。表1列出了市场上现有的一些器材。

Table 1. Examples of High-Temperature Resistors and Capacitors

留意，外表贴装器材假如靠着PCB，引脚间就很简单发作走漏，因为焊剂残留在装置完毕后还会留在电路板底部。这些焊剂残留会吸湿，然后添加高温时的传导率。此刻，外表贴装器材中会呈现寄生电阻（特性很难猜测），或许会引起其他的电路差错。要处理这一问题，可以考虑选用尺度较大的芯片、鸥翼引脚，或在特别灵敏的电路区域选用通孔器材。最终，在装置进程完毕前再添加一道有用的电路板清洗环节（一般选用超声或皂化剂），无用的残留简直就能悉数铲除。

规划人员在规划恶劣环境下作业的体系时，有必要谨记热办理要求。即便在用到高温专用器材时，也应考虑与其功耗相关的自热效应。例如，AD8229的确保作业温度高达210°C，相当于一个小输出电流负载。由驱动高负载或永久毛病条件（如输出短路）形成的额定功耗会添加结温，使其超越器材的最大额定值，大大下降扩大器的作业寿数。请必须遵从引荐的散热攻略，而且留意电源调节器等邻近热源。

即便是高温电阻，70°C以上时额定功率也会下降。应特别留意方针作业温度时的电阻温度额定值，尤其是在功耗相当大的状况下。例如，假定额定值为200°C的电阻在190°C的环境温度下作业，假如其因功耗发作的自热为20°C，那么仍是超越了额定值。

尽管许多无源器材可以接受高温，但其结构或许并不合适长时刻处于冲击振荡和高温兼具的环境。此外，高温电阻和电容制作商也明确规定了其在给定温度下的作业寿数。使一切器材的作业寿数规范坚持匹配对树立高度牢靠的体系至关重要。最终，不要忘了，许多额定值到达高温的器材或许需求下降额定值，以坚持持久作业。

事例研讨：制作烤箱中的热梯度

AD8229和ADXL206（双轴加快度计）在简便安全的高温环境下作业，可作为高温运用中两种恰当的器材进行演示。演示选用了一个小型电烤箱，带有一个旋转组件，上方装有高温PCB，且可以接连作业。烤箱中的加热元件坐落顶部邻近。这种规划会在烤箱内发作较大的温度梯度。旋转机制用于一起丈量温度和方位的试验之中。

AD8229担任调度来自K型热电偶的信号，热电偶在烤箱内不断旋转。热电偶探针伸出PCB约6英寸，意图是为了更好地丈量烤箱温度改变。一起，ADXL206担任丈量旋转视点。三个信号（温度梯度、x轴加快度和y轴加快度）经过一个额定值到达高温作业条件的滑环（旋转衔接器）来传送。滑环可以坚持与非旋转线缆的衔接，线缆衔接至烤箱外的数据收集电路板。因为”冷结点”坐落烤箱内部，可以选用附加热电偶为内部温度供给静态参阅。AD8495热电偶扩大器（也坐落烤箱外）选用其集成冷结补偿来调度附加热电偶的信号。

烤箱内的电路板坐落中心邻近的旋转组件上，该方位的温度约为175°C。电路板结构选用聚酰亚胺资料。铜层上的走线选用0.020英寸的最小宽度，以改善铜与预浸资料的衔接（图14）。器材选用规范HMP焊料（5/93.5/1.5锡/铅/银）衔接，并选用特氟龙镀膜线衔接电路板和滑环。

一切的精细器材都选用通孔装置。外表扩大器的增益经过一个25 ppm/°C的金属薄膜电阻来设置。扩大器在高增益下作业，因而，扩大器到增益电阻的走线长度应尽或许短，以将铜电阻降至最低(4000 ppm/°C TC)。热电偶和扩大器的接口坐落电路板中心，意图是在旋转时坚持温度安稳。热电偶引脚应尽或许接近，以消除结点上无用的热电动势效应。

高温钽电容和C0G/NP0电容可对电源进行去耦，并用作加快度计输出的滤波器。

核算机处理四个不同来历的数据：旋转视点（矩形x和y重量）、内部温度梯度和参阅温度。归纳上述各项丈量成果即可制作出温度梯度（图15）。剖析成果显现，温度改变到达25°C。正如预期，最高温在烤箱后壁顶部周围的加热元件邻近。因为存在天然对流，烤箱顶部是烤箱内部第二热的区域。最低温在热电偶与加热元件方位相反时测得。

该试验以简化方式标明，在恶劣环境下作业时，记载体系中集成的高温器材怎么提取有价值信息。

定论

许多（包含老练与新式）运用都需求可以在极点高温环境下作业的器材。曩昔，因为短少额定值可以在此类恶劣环境下作业的器材，规划这种牢靠的体系非常困难。而现在，可以在这些环境下作业的IC和支撑器材都已呈现，既节省了工程规划时刻，又下降了失利危险。选用这种新技能并遵循高温规划办法，就能使高功用体系在与之前可行环境比较愈加极点的环境下牢靠作业。

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参阅电路

¹A.E. I. Mehdi and Karimi K.J Brockschmidt, “A Case for High Temperature Electronics for Aerospace,” IMAPS Int’l. Conference on High Temperature Electronics (HiTEC), May 2006.

²R.A Normann, First High-Temperature Electronics Products Survey 2005, Sandia National Laboratories Sandia Report SAND2006-1580, April 2006. 

³K.C Reinhardt and M. A. Marciniak, “Wide-Bandgap Power Electronics for the More Electric Aircraft,” in Proc. 3rd Int. High-Temperature Electronics Conf., Albuquerque, NM, June 1996, pp. I.9–I.15.

⁴B. Blalock, C Huque, L. Tolbert, M. Su, S. Islam, and R. Vijayaraghavan, “Silicon-on-Insulator based High Temperature Electronics for Automotive Applications,” 2008 IEEE International Symposium on Industrial Electronics.

⁵J. L. Evans, J. R. Thompson, M. Christopher, P. Jacobsen, and R.W Johnson, “The Changing Automotive Environment: High-Temperature Electronics,” IEEE Trans. on Electronics Packaging Manufacturing, Vol. 27, No. 3, pp. 164-176, July 2004.

⁶E.R Hnatek, “Section 5: Thermal Management,” Practical Reliability of Electronic Equipment and Products, New York, NY: CRC Press, 2002.

⁷National Research Council, “Appendix A: Silicon as a High-Temperature Material,” Materials for High-Temperature Semiconductor Devices, Washington, DC: The National Academies Press, 1995. 

⁸F.P McCluskey, R. Grzybowski, and T. Podlesak, High Temperature Electronics, CRC Press, New York, 1997.

⁹“Properties of Alloys of Multicore Solder Wires,” Technical Data Sheet, Henkel Technologies, August 2007.

¹⁰“Power Dissipation Considerations in High Precision Vishay Sfernice Thin Film Chips Resistors and Arrays (P, PRA, etc.) (High Temperature Applications),” Vishay Application Note, Doc. Number: 53047, Revision: March 2010.

¹¹http://www.analog.com/hightemp.