熱油試驗箱 技術參數(shù):

許多行業(yè)都需要能夠在高溫等惡劣環(huán)境下可靠工作的電子設備。依照傳統(tǒng)做法，在設計需要在常溫范圍之外工作的電子設備時，工程師必須采用主動或被動冷卻技術，但某些應用可能無法進行冷卻，或是電子設備在高溫下工作時更為有利，可提升系統(tǒng)可靠性或降低成本。這便提出了影響電子系統(tǒng)方方面面的諸多挑戰(zhàn)，包括硅、封裝、認證方法和設計技術。
 
高溫應用

古老以及目前大的高溫電子設備(>150°C)應用領域是地下石油和天然氣行業(yè)。在該應用中，工作溫度和地下井深成函數(shù)關系。地熱梯度一般為25°C/km深度，某些地區(qū)更大。
過去，鉆探作業(yè)Highest在150°C至175°C的溫度范圍內(nèi)進行，然而，由于地下易鉆探自然資源儲備的減少和技術進步，行業(yè)的鉆探深度開始加深，同時也開始在地熱梯度較高的地區(qū)進行鉆探。這些惡劣的地下井溫度超過200°C，壓力超過25 kpsi。主動冷卻技術在這種惡劣環(huán)境下不太現(xiàn)實，被動冷卻技術在發(fā)熱不限于電子設備時也不太有效。

地下鉆探行業(yè)中高溫電子設備的應用十分復雜。首先，在鉆探作業(yè)過程中，電子設備和傳感器會引導鉆探設備并監(jiān)控其狀態(tài)是否正常。隨著定向鉆探技術的出現(xiàn)，高溫地質(zhì)導向儀器必須將鉆孔位置引導至地質(zhì)目標。

鉆孔時或鉆孔剛結(jié)束時，精密的井下儀器會收集周圍的地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)。這種做法稱為測井可以測量電阻率、放射性、聲音傳播時間、磁共振和其他屬性，以便確定地質(zhì)構(gòu)造特性，如巖性、孔隙度、滲透率，以及水/烴飽和度。通過這些數(shù)據(jù)，地質(zhì)學家可以從構(gòu)造上對巖石類型進行判斷，還可以判斷存在的流體類型及其位置，以及含流體區(qū)域能否提取出足夠數(shù)量的碳氫化合物。

后，在完成和生產(chǎn)階段，電子系統(tǒng)會監(jiān)控壓力、溫度、振動和多相位流動，并主動控制閥門。要滿足這些需求，需要有一個完整的高性能組件信號鏈。系統(tǒng)可靠性是重要的因素，因為設備故障會造成*的停機成本。在地下數(shù)英里作業(yè)的鉆柱如果出現(xiàn)電子組件故障，需要一天以上的時間來檢修及更換，操作復雜深水海上鉆井平臺每天大約需要花費100萬美元！
其他應用領域:除了石油和天然氣行業(yè)外，航空電子等其他應用對高溫電子器件的需求也日漸增多。如今，航空業(yè)正日益向“多電子飛機”(MEA)的趨勢發(fā)展。這一方案一方面是為了用分布式控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)集中式發(fā)動機控制器。1集中式控制需要采用由數(shù)百個導體和多個連接器接口組成的龐大重型線束。分布式控制方案則將發(fā)動機控制系統(tǒng)放置在離發(fā)動機較近的地方，將互連的復雜性降低了10倍，使飛機的重量減輕了數(shù)百磅，2同時增加了系統(tǒng)可靠性（估計值在某種程度上與連接器引腳數(shù)成函數(shù)關系（根據(jù)MIL-HDBK-217F計算）。
但是，代價是發(fā)動機附近的環(huán)境溫度會上升（–55°C至+200°C）。雖然該應用中電子設備可以進行冷卻，但依然會產(chǎn)生不利影響，原因有二：首先，冷卻會增加飛機的成本和重量，其次（也是重要的一點），冷卻系統(tǒng)故障會導致控制關鍵系統(tǒng)的電子設備出現(xiàn)故障。

MEA方案另一方面是要用電力電子和電子控制取代液壓系統(tǒng)，以提升可靠性，減少維護成本。理想狀態(tài)下，控制電子設備必須離執(zhí)行器很近，這也會產(chǎn)生較高的環(huán)境溫度。

汽車業(yè)提供了采用高溫電子設備的另一種新興應用。和航空電子一樣，汽車業(yè)也在從純機械和液壓系統(tǒng)向機電一體化系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。4這就需要有離熱源更近的定位傳感器、信號調(diào)理，以及控制電子設備。

Highest溫度和暴露時間依車輛類型和車輛中電子器件的位置而定。例如，高集成的電氣和機械系統(tǒng)（如變速箱配置和變速箱控制器），可以簡化汽車子系統(tǒng)的生產(chǎn)、測試和維護過程。5電氣車輛和混合電動車需要高能量密度的電子設備，用作轉(zhuǎn)換器，電機控制，充電電路這些和高溫相關的部分。

 使用超出數(shù)據(jù)手冊溫度規(guī)格的IC

過去，由于無法獲得高溫IC，石油和天然氣等行業(yè)的高溫電子設備設計師只能使用遠高于額定規(guī)格的標準溫度器件。有些標準溫度的IC確實能在高溫下工作，但是使用起來非常困難，并且十分危險。例如，工程師必須確定可能選用的器件，充分測試并描述其溫度性能，并驗證其長期可靠性。器件的性能和壽命經(jīng)常會大幅遞減。

這一過程充滿挑戰(zhàn)且昂貴耗時：
器件驗證需要用高溫印刷電路板(PCB)和設備在實驗室烤箱中進行測試，測試時間至少應達到任務剖面所需的時間。由于可能面臨新的故障機制，測試速度很難加快。測試過程中如出現(xiàn)故障，需要再次選擇器件并經(jīng)過長期測試，從而延長項目時間。
數(shù)據(jù)手冊規(guī)格之外的工作情況無法獲得保證，性能可能隨器件批次而變化。具體而言，IC工藝變化會在溫度時導致意外故障。
 
針對高溫設計并通過認證的IC

幸運的是，憑借近的IC技術，能夠保證以數(shù)據(jù)手冊規(guī)格在高溫下可靠工作的器件已經(jīng)問世。工藝技術、電路設計和布局技術均有所發(fā)展。

要想在高溫條件下順利工作，必須能夠同時管理多個關鍵器件特性。其中一項重要也是為人熟知的挑戰(zhàn)是因為襯底漏電流上升而產(chǎn)生。其他因素包括載流子遷移率, 下降、VT, β, 和 VSAT, 等器件參數(shù)變化、金屬互連電子遷移增加，以及電介質(zhì)擊穿強度下降。6雖然標準硅可以在125°C以上的軍用溫度要求下正常工作，7但每上升10°C，標準硅工藝中的泄露就會增加一倍，許多精密應用都不能接受這一情況。

溝道隔離、絕緣硅片 (SOI)和標準硅工藝中的其他變化都會大大降低泄露，使高性能工作溫度遠高于200°C。圖5所示為SOI雙極性工藝減少泄露區(qū)域的過程。碳化硅(SiC)之類的寬帶隙材料會使性能進一步提升，實驗室研究顯示，碳化硅IC可在高達600°C下工作。但是，SiC是一種新型的工藝技術，目前市場上只有功率開關之類的簡單器件。
儀表放大器:用于地下鉆探的儀表放大器需要具備高精度，以便放大常見噪聲環(huán)境中的微弱信號。這種放大器通常是測量前端的個器件，因此，其性能對整個信號鏈的信能至關重要。

ADI公司開發(fā)團隊從一開始就選定AD8229儀表放大器用于高溫工作環(huán)境，且始終針對這一目的進行設計。為了滿足其*的性能要求，還選用了專有的SOI雙極性工藝技術。設計人員采用了特殊電路技術，以保證能夠在各種器件參數(shù)下工作，例如基極-發(fā)射極電壓和正向電流增益。

IC布局也會顯著影響AD8229的性能和可靠性。為了在整個溫度范圍內(nèi)維持低失調(diào)和高共模抑制比(CMRR)，布局應補償互連和溫度系數(shù)的變化。此外，仔細分析關鍵部分的電流密度可以降低電子遷移的影響，并提升條件下的可靠性。同樣，設計人員還會預測故障條件，以防止過早擊穿。

憑借魯棒的工藝、電路設計和布局技術，器件可以滿足整個溫度范圍內(nèi)嚴苛的精度和可靠性要求。
 
封裝考慮因素

高溫功能化硅的采用只相當于完成了一半的工作。在高溫下進行芯片封裝并將其連接至PCB絕非易事。高溫時許多因素都會影響封裝完整性。
芯片粘著 材料可以確保將硅連接至封裝或基板。許多在標準溫度范圍能夠穩(wěn)定使用的材料都具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(TG)，不適合在高溫下工作。對芯片、芯片粘著材料和基板的熱膨脹系數(shù)(CTE)進行匹配時需要特別注意，以防止芯片在寬溫度范圍內(nèi)反復工作時受到應力或斷裂。芯片上即便受到少量的機械應力，也可能會導致電氣參數(shù)發(fā)生變化，達到精密應用不可接受的水平。對于需要采用熱連接和電氣連接連接至封裝基板的功率器件，可能需要使用金屬芯片粘著材料。

線焊是芯片和引腳互連的一種方法，這種方法是在芯片表面上從引腳架構(gòu)至焊盤用金屬線連接。對高溫下的線焊可靠性而言，線所用金屬與焊盤金屬化層的兼容性是一大問題。由于焊接金屬兼容性差產(chǎn)生的故障有兩方面，一方面是邊界接口的金屬間化合物 (IMC)生長，這會導致焊接易碎；另一方面是擴散（柯肯達爾效應），這會在接口處產(chǎn)生空洞，減小焊接強度并增加其電阻。遺憾的是，業(yè)界常見的金屬組合之一（金線和鋁焊盤金屬化層）在高溫時就容易產(chǎn)生上述現(xiàn)象。
高溫焊接失敗后出現(xiàn)了明顯的金/鋁金屬間化合物生長和柯肯達爾空洞。更糟的是，溴和氯等鹵素（時見于塑封材料）在高溫時也會引起邊界接口腐蝕，加速焊接失敗（幸而業(yè)界已轉(zhuǎn)用“綠色”無鹵素塑封材料）。因此，焊線和焊盤Best采用相同金屬（單金屬焊接），以避免上述不良影響。如果不能采用相同金屬，工程師應當選擇IMC生長和擴散率足夠慢的金屬，以保證在所需的壽命內(nèi)可靠使用。
IC封裝也必須能夠承受惡劣環(huán)境下施加的應力。塑料封裝盡管達到行業(yè)標準，但傳統(tǒng)上只能在150°C的額定溫度下持續(xù)使用。隨著近期高溫應用日益受到關注，研究表明，這一額定溫度可增至175°C，但只能持續(xù)較短時間。從封裝結(jié)構(gòu)來看，175°C是某些材料（如塑封材料）超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度點。在TG以上溫度工作會使關鍵參數(shù)（如CTE和彎曲模量）產(chǎn)生顯著機械變化，并因熱應變引起分層及開裂等焊接失敗現(xiàn)象。

因此，高溫應用時Best選用密封陶瓷封裝。密封可以防止導致腐蝕的濕氣和污染進入。遺憾的是，密封封裝通常較大較重，且價格比同類塑料封裝貴得多。在溫度要求(< 175°C)較少的應用中，Best采用塑料封裝，可以減少PCB面積、降低成本，或是提供更好的振動順應性。對需要采用密封封裝和高器件密度的系統(tǒng)而言，高溫多芯片模塊是一種比較合理的解決方案。然而，這種方案需要提供已知合格芯片。
封裝引腳配置和金屬化情況也必須加以評估。表面貼裝器件質(zhì)量僅取決于焊盤面積以及銅層和預浸材料之間的粘結(jié)質(zhì)量。另一方面，通孔DIP配置（業(yè)界可靠的封裝之一）也可提供魯棒的沖擊和振動性能。情況下，要想進一步提升連接強度，還可以彎曲電路板底側(cè)引腳，并將其“釘”在PCB上，但是，通孔引腳排列不允許電路板低側(cè)的組件密集分布，這可能是空間限制嚴格的井下儀器等應用面臨的一大問題。

許多情況下，鷗翼SMT引腳配置是一種可行的替代方法，但是，無引腳SMT在許多高溫環(huán)境下面臨高沖擊和振動時不夠魯棒。采用SMT器件時，設計人員應當考慮其高度和質(zhì)量。采用高溫環(huán)氧樹脂可以提高連接魯棒性，但是會增加制造成本，加大維修難度。在所有情況下，引腳金屬化層都必須兼容高溫焊料。

常見的標準焊料合金熔點低于200°C。但是，有一些現(xiàn)成的合金可以列入“高熔點”(HMP)合金，其熔點遠高于250°C。即便在這些情況下，對任何受應力影響的焊料而言，其Highest推薦工作溫度也比其熔點低40°C左右。例如，標準HMP焊料合金由5%的錫、93.5%的鉛和1.5%的銀組成，熔點為294°C，但其推薦工作溫度僅為255°C。9注意，BGA（球柵數(shù)組）封裝有工廠粘結(jié)的焊料球，熔點可能不會太高。

后，PCB本身也可能是焊接失敗的原因。標準FR4材料在130°C至180°C時可在任意位置發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，依具體成分而定。如果在該溫度以上使用（即使時間較短），也會出現(xiàn)擴散和分層。聚酰亞胺是一種可靠的替代材料（Kapton中就采用了這種材料），其TG高達250°C，具體依成分而定。但是，聚酰亞胺的吸濕性*，可能會使PCB由于各種機制迅速出現(xiàn)故障，因此，控制其在濕氣中的暴露至關重要。近些年來，業(yè)界引進了吸濕性較小且能在高溫時保持完整的新型層壓材料。
 
驗證、認證與測試

在實驗室驗證高溫器件并非易事，因為工程師需要綜合上述各項技術才能在溫度下測試器件性能。除了在建造測試夾具時采用特殊材料外，測試工程師還必須謹慎操作環(huán)境試驗箱，使系統(tǒng)調(diào)整至所需的溫度變化。由于膨脹系數(shù)不匹配，快速溫度變化會對PCB板上的焊點造成損害，產(chǎn)生翹曲變形，并終使系統(tǒng)過早出現(xiàn)故障。業(yè)界采用的原則是將溫度變化率保持在每分鐘3°C以下。
為了加快壽命與可靠性測試過程，在高溫下測試電子器件是一種可以接受的方法。這里需要引入一個加速系數(shù)α，根據(jù)Arrhenius方程計算：
其中Ea為激活能，k為玻爾茲曼常數(shù)，Ta為使用時的預期工作溫度，Ts為應力溫度。雖然加速老化問題對標準產(chǎn)品影響不大，但是，應力溫度遠高于額定溫度可能會引起新的故障機制，并導致結(jié)果不準確。因此，為保證AD8229等高溫器件的終身可靠性，需要在210°C的Highest額定溫度下進行為期1000小時（大約六周）的高溫工作壽命 測試(HTOL)。在低溫情況下，預期壽命可以采用的加速度關系進行預測。
塑料封裝只在不超過約175°C時保持魯棒，且工作壽命減少。在這一溫度限值附近，如果不進行昂貴耗時的實驗室故障分析，很難區(qū)分故障是因封裝還是硅材料引起的。陶瓷封裝的標準器件供貨較為稀缺。
惡劣環(huán)境下使用的器件通常不僅要能承受高溫，還要能承受沖擊和振動。許多工程師都喜歡采用帶引腳的封裝（如DIP或鷗翼SMT），因為這些封裝可以為PCB提供更加魯棒的安裝。由于其他行業(yè)傾向于小型無引腳封裝，會進一步限制器件的選擇。
Best采用裸片形式的器件，尤其是在器件只提供塑料封裝的情況下。然后，芯片可以采用符合高溫的密封封裝或多芯片模式重新封裝。但是，能夠在高溫下工作的器件原本就不多，能夠通過測試的芯片就更少。
由于時間和測試設備限制，業(yè)界工程師可能傾向于將器件的條件限制在特定的應用電路中，而不是涵蓋所有的關鍵器件參數(shù)，使器件難以不經(jīng)進一步測試便重新用于其它項目。
數(shù)據(jù)手冊未列出的關鍵IC屬性（如金屬互連的電子遷移）可能在高溫時引起故障。