高溫應用

 

最古老以及目前最大的高溫電子設備(>150°C)應用領域是地下石油和天然氣行業（圖1）。在該應用中
，工作溫度和地下井深成函數關係。全球地熱梯度一般為25°C/km深度，某些地區更大。

 

 

圖1.地下鑽探作業

 

過去，鑽探作業最高在150°C至175°C的de溫wen度du範fan圍wei內nei進jin行xing，然ran而er，由you於yu地di下xia易yi鑽zuan探tan自zi然ran資zi源yuan儲chu備bei的de減jian少shao和he技ji術shu進jin步bu，行xing業ye的de鑽zuan探tan深shen度du開kai始shi加jia深shen

，同tong時shi也ye開kai始shi在zai地di熱re梯ti度du較jiao高gao的de地di區qu進jin行xing鑽zuan探tan。這zhe些xie惡e劣lie的de地di下xia井jing溫wen度du超chao過guo200°C，壓力超過25 kpsi。主動冷卻技術在這種惡劣環境下不太現實，被動冷卻技術在發熱不限於電子設備時也不太有效。

 

地(di)下(xia)鑽(zuan)探(tan)行(xing)業(ye)中(zhong)高(gao)溫(wen)電(dian)子(zi)設(she)備(bei)的(de)應(ying)用(yong)十(shi)分(fen)複(fu)雜(za)。首(shou)先(xian)
，在(zai)鑽(zuan)探(tan)作(zuo)業(ye)過(guo)程(cheng)中(zhong)
，電(dian)子(zi)設(she)備(bei)和(he)傳(chuan)感(gan)器(qi)會(hui)引(yin)導(dao)鑽(zuan)探(tan)設(she)備(bei)並(bing)監(jian)控(kong)其(qi)狀(zhuang)態(tai)是(shi)否(fou)正(zheng)常(chang)。隨(sui)著(zhe)定(ding)向(xiang)鑽(zuan)探(tan)技(ji)術(shu)的(de)出(chu)現(xian)，高(gao)溫(wen)地(di)質(zhi)導(dao)向(xiang)儀(yi)器(qi)必(bi)須(xu)將(jiang)鑽(zuan)孔(kong)位(wei)置(zhi)精(jing)確(que)引(yin)導(dao)至(zhi)地(di)質(zhi)目(mu)標(biao)。

 

鑽孔時或鑽孔剛結束時，精密的井下儀器會收集周圍的地質構造數據。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，以便確定地質構造特性，如岩性

、孔隙度
、滲透率

，以及水/烴(ting)飽(bao)和(he)度(du)。通(tong)過(guo)這(zhe)些(xie)數(shu)據(ju)，地(di)質(zhi)學(xue)家(jia)可(ke)以(yi)從(cong)構(gou)造(zao)上(shang)對(dui)岩(yan)石(shi)類(lei)型(xing)進(jin)行(xing)判(pan)斷(duan)，還(hai)可(ke)以(yi)判(pan)斷(duan)存(cun)在(zai)的(de)流(liu)體(ti)類(lei)型(xing)及(ji)其(qi)位(wei)置(zhi)，以(yi)及(ji)含(han)流(liu)體(ti)區(qu)域(yu)能(neng)否(fou)提(ti)取(qu)出(chu)足(zu)夠(gou)數(shu)量(liang)的(de)碳(tan)氫(qing)化(hua)合(he)物(wu)。

 

最後
，在完成和生產階段
，電子係統會監控壓力、溫度、振動和多相位流動
，並主動控製閥門。要滿足這些需求
，需要有一個完整的高性能元件信號鏈（圖2）。xitongkekaoxingshizuizhongyaodeyinsu，yinweishebeiguzhanghuizaochengjigaodetingjichengben。zaidixiashuyinglizuoyedezuanzhuruguochuxiandianzizujianguzhang
，xuyaoyitianyishangdeshijianlaijianxiujigenghuan，caozuofuzashenshuihaishangzuanjingpingtaimeitiandayuexuyaohuafei100萬美元！

 

圖2.簡化測井儀器信號鏈

 

圖2.簡化測井儀器信號鏈:除了石油和天然氣行業外，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，航空業正日益向"多電子飛機"(MEA)的趨勢發展。這一方案一方麵是為了用分布式控製係統取代傳統集中式發動機控製器。1集(ji)中(zhong)式(shi)控(kong)製(zhi)需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)由(you)數(shu)百(bai)個(ge)導(dao)體(ti)和(he)多(duo)個(ge)連(lian)接(jie)器(qi)接(jie)口(kou)組(zu)成(cheng)的(de)龐(pang)大(da)重(zhong)型(xing)線(xian)束(shu)。分(fen)布(bu)式(shi)控(kong)製(zhi)方(fang)案(an)則(ze)將(jiang)發(fa)動(dong)機(ji)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)放(fang)置(zhi)在(zai)離(li)發(fa)動(dong)機(ji)較(jiao)近(jin)的(de)地(di)方(fang)（圖3），將互連的複雜性降低了10倍，使飛機的重量減輕了數百磅，2同時增加了係統可靠性（估計值在某種程度上與連接器引腳數成函數關係（根據MIL-HDBK-217F計算）3

 

圖3.安裝在飛機發動機上的控製係統

 

但是，代價是發動機附近的環境溫度會上升（–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（也是最重要的一點），冷卻係統故障會導致控製關鍵係統的電子設備出現故障。

 

MEAfanganlingyifangmianshiyaoyongdianlidianzihedianzikongzhiqudaiyeyaxitong，yitishengkekaoxing
，jianshaoweihuchengben。lixiangzhuangtaixia，kongzhidianzishebeibixulizhixingqihenjin，zheyehuichanshengjiaogaodehuanjingwendu。

 

汽車業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，汽車業也在從純機械和液壓係統向機電一體化係統轉變。4這就需要有離熱源更近的定位傳感器
、信號調理，以及控製電子設備。

 

最高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（圖4）。例如，高集成的電氣和機械係統（如變速箱配置和變速箱控製器），可以簡化汽車子係統的生產、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，用作轉換器，電機控製，充電電路這些和高溫相關的部分。

 

圖4.典型的汽車最高溫度範圍5

 

使用超出數據手冊溫度規格的IC

 

過去，由於無法獲得高溫IC，石油和天然氣等行業的高溫電子設備設計師隻能使用遠高於額定規格的標準溫度器件。有些標準溫度的IC確(que)實(shi)能(neng)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)工(gong)作(zuo)
，但(dan)是(shi)使(shi)用(yong)起(qi)來(lai)非(fei)常(chang)困(kun)難(nan)，並(bing)且(qie)十(shi)分(fen)危(wei)險(xian)。例(li)如(ru)，工(gong)程(cheng)師(shi)必(bi)須(xu)確(que)定(ding)可(ke)能(neng)選(xuan)用(yong)的(de)器(qi)件(jian)，充(chong)分(fen)測(ce)試(shi)並(bing)描(miao)述(shu)其(qi)溫(wen)度(du)性(xing)能(neng)，並(bing)驗(yan)證(zheng)其(qi)長(chang)期(qi)可(ke)靠(kao)性(xing)。器(qi)件(jian)的(de)性(xing)能(neng)和(he)壽(shou)命(ming)經(jing)常(chang)會(hui)大(da)幅(fu)遞(di)減(jian)。這(zhe)一(yi)過(guo)程(cheng)充(chong)滿(man)挑(tiao)戰(zhan)且(qie)昂(ang)貴(gui)耗(hao)時(shi)：

 

● 器件驗證需要用高溫印刷電路板(PCB)heshebeizaishiyanshikaoxiangzhongjinxingceshi，ceshishijianzhishaoyingdadaorenwupoumiansuoxudeshijian。youyukenengmianlinxindeguzhangjizhi
，ceshisuduhennanjiakuai。ceshiguochengzhongruchuxianguzhang，xuyaozaicixuanzeqijianbingjingguochangqiceshi，congeryanchangxiangmushijian。

 

● 數據手冊規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工藝變化會在極端溫度時導致意外故障。

 

● 塑料封裝隻在不超過約175°C時shi保bao持chi魯lu棒bang
，且qie工gong作zuo壽shou命ming減jian少shao。在zai這zhe一yi溫wen度du限xian值zhi附fu近jin，如ru果guo不bu進jin行xing昂ang貴gui耗hao時shi的de實shi驗yan室shi故gu障zhang分fen析xi，很hen難nan區qu分fen故gu障zhang是shi因yin封feng裝zhuang還hai是shi矽gui材cai料liao引yin起qi的de。陶tao瓷ci封feng裝zhuang的de標biao準zhun器qi件jian供gong貨huo較jiao為wei稀xi缺que。

 

● 惡劣環境下使用的器件通常不僅要能承受高溫，還要能承受衝擊和振動。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。由於其他行業傾向於小型無引腳封裝，會進一步限製器件的選擇。

 

● 最(zui)好(hao)采(cai)用(yong)裸(luo)片(pian)形(xing)式(shi)的(de)器(qi)件(jian)
，尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)器(qi)件(jian)隻(zhi)提(ti)供(gong)塑(su)料(liao)封(feng)裝(zhuang)的(de)情(qing)況(kuang)下(xia)。然(ran)後(hou)，芯(xin)片(pian)可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)符(fu)合(he)高(gao)溫(wen)的(de)密(mi)封(feng)封(feng)裝(zhuang)或(huo)多(duo)芯(xin)片(pian)模(mo)式(shi)重(zhong)新(xin)封(feng)裝(zhuang)。但(dan)是(shi)
，能(neng)夠(gou)在(zai)高(gao)溫(wen)下(xia)工(gong)作(zuo)的(de)器(qi)件(jian)原(yuan)本(ben)就(jiu)不(bu)多(duo)，能(neng)夠(gou)通(tong)過(guo)測(ce)試(shi)的(de)芯(xin)片(pian)就(jiu)更(geng)少(shao)。

 

● 由(you)於(yu)時(shi)間(jian)和(he)測(ce)試(shi)設(she)備(bei)限(xian)製(zhi)，業(ye)界(jie)工(gong)程(cheng)師(shi)可(ke)能(neng)傾(qing)向(xiang)於(yu)將(jiang)器(qi)件(jian)的(de)條(tiao)件(jian)限(xian)製(zhi)在(zai)特(te)定(ding)的(de)應(ying)用(yong)電(dian)路(lu)中(zhong)

，而(er)不(bu)是(shi)涵(han)蓋(gai)所(suo)有(you)的(de)關(guan)鍵(jian)器(qi)件(jian)參(can)數(shu)，使(shi)器(qi)件(jian)難(nan)以(yi)不(bu)經(jing)進(jin)一(yi)步(bu)測(ce)試(shi)便(bian)重(zhong)新(xin)用(yong)於(yu)其(qi)它(ta)項(xiang)目(mu)。

 

● 數據手冊未列出的關鍵IC屬性（如金屬互連的電子遷移）可能在高溫時引起故障。

 

針對高溫設計並通過認證的IC

 

幸運的是
，憑借最近的IC技術，能夠保證以數據手冊規格在高溫下可靠工作的器件已經問世。工藝技術、電路設計和布局技術均有所發展。

 

要yao想xiang在zai高gao溫wen條tiao件jian下xia順shun利li工gong作zuo，必bi須xu能neng夠gou同tong時shi管guan理li多duo個ge關guan鍵jian器qi件jian特te性xing。其qi中zhong一yi項xiang最zui重zhong要yao也ye是shi最zui為wei人ren熟shu知zhi的de挑tiao戰zhan是shi因yin為wei襯chen底di漏lou電dian流liu上shang升sheng而er產chan生sheng。其qi他ta因yin素su包bao括kuo載zai流liu子zi遷qian移yi率lv, 下降、VT, β, 和 VSAT, 等器件參數變化、金屬互連電子遷移增加
，以及電介質擊穿強度下降。6雖然標準矽可以在125°C以上的軍用溫度要求下正常工作，7但每上升10°C，標準矽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、絕緣矽片 (SOI)和標準矽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於200°C。圖5所示為SOI雙極性工藝減少泄露區域的過程。碳化矽(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，碳化矽IC可在高達600°C下工作。但是
，SiC是一種新型的工藝技術
，目前市場上隻有功率開關之類的簡單器件。

 

圖5.體矽與SOI的結點泄露機製對比

 

儀表放大器: 用yong於yu地di下xia鑽zuan探tan的de儀yi表biao放fang大da器qi需xu要yao具ju備bei高gao精jing度du，以yi便bian放fang大da常chang見jian噪zao聲sheng環huan境jing中zhong的de微wei弱ruo信xin號hao。這zhe種zhong專zhuan用yong放fang大da器qi通tong常chang是shi測ce量liang前qian端duan的de第di一yi個ge器qi件jian，因yin此ci，其qi性xing能neng對dui整zheng個ge信xin號hao鏈lian的de信xin能neng至zhi關guan重zhong要yao。

 

ADI公司開發團隊從一開始就選定 AD8229 儀表放大器用於高溫工作環境，且始終針對這一目的進行設計。為了滿足其獨特的性能要求，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下工作，例如基極-發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。為了在整個溫度範圍內維持低失調和高共模抑製比(CMRR)
，布bu局ju應ying補bu償chang互hu連lian和he溫wen度du係xi數shu的de變bian化hua。此ci外wai
，仔zai細xi分fen析xi關guan鍵jian部bu分fen的de電dian流liu密mi度du可ke以yi降jiang低di電dian子zi遷qian移yi的de影ying響xiang，並bing提ti升sheng極ji端duan條tiao件jian下xia的de可ke靠kao性xing。同tong樣yang，設she計ji人ren員yuan還hai會hui預yu測ce故gu障zhang條tiao件jian
，以yi防fang止zhi過guo早zao擊ji穿chuan。

 

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範圍內最嚴苛的精度和可靠性要求。

 

封裝考慮因素

 

高溫功能化矽的采用隻相當於完成了一半的工作。在高溫下進行芯片封裝並將其連接至PCB絕非易事。高溫時許多因素都會影響封裝完整性（圖6）。

 

圖6.IC封裝和貼裝元件

 

芯片粘著 材料可以確保將矽連接至封裝或基板。許多在標準溫度範圍能夠穩定使用的材料都具有較低的玻璃化轉變溫度(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係數(CTE)進(jin)行(xing)匹(pi)配(pei)時(shi)需(xu)要(yao)特(te)別(bie)注(zhu)意(yi)
，以(yi)防(fang)止(zhi)芯(xin)片(pian)在(zai)寬(kuan)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)反(fan)複(fu)工(gong)作(zuo)時(shi)受(shou)到(dao)應(ying)力(li)或(huo)斷(duan)裂(lie)。芯(xin)片(pian)上(shang)即(ji)便(bian)受(shou)到(dao)少(shao)量(liang)的(de)機(ji)械(xie)應(ying)力(li)，也(ye)可(ke)能(neng)會(hui)導(dao)致(zhi)電(dian)氣(qi)參(can)數(shu)發(fa)生(sheng)變(bian)化(hua)，達(da)到(dao)精(jing)密(mi)應(ying)用(yong)不(bu)可(ke)接(jie)受(shou)的(de)水(shui)平(ping)。對(dui)於(yu)需(xu)要(yao)采(cai)用(yong)熱(re)連(lian)接(jie)和(he)電(dian)氣(qi)連(lian)接(jie)連(lian)接(jie)至(zhi)封(feng)裝(zhuang)基(ji)板(ban)的(de)功(gong)率(lv)器(qi)件(jian)，可(ke)能(neng)需(xu)要(yao)使(shi)用(yong)金(jin)屬(shu)芯(xin)片(pian)粘(zhan)著(zhe)材(cai)料(liao)。

 

xianhanshixinpianheyinjiaohuliandeyizhongfangfa，zhezhongfangfashizaixinpianbiaomianshangcongyinjiaojiagouzhihanpanyongjinshuxianlianjie。duigaowenxiadexianhankekaoxingeryan，xiansuoyongjinshuyuhanpanjinshuhuacengdejianrongxingshiyidawenti。youyuhanjiejinshujianrongxingchachanshengdeguzhangyouliangfangmian，yifangmianshibianjiejiekoudejinshujianhuahewu (IMC)生長，這會導致焊接易碎；另一方麵是擴散（柯肯達爾效應），這會在接口處產生空洞，減小焊接強度並增加其電阻。遺憾的是，業界最常見的金屬組合之一（金線和鋁焊盤金屬化層）在高溫時就容易產生上述現象。圖7是金/鋁焊接的剖麵圖，該圖顯示了IMC的生長情況，在高溫條件下經過500小時後會影響焊接的完整性。

 

圖7.195°C下500小時後的金/鋁焊接

 

從圖8中可以看到，高溫焊接失敗後出現了明顯的金/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（時見於塑封材料）在高溫時也會引起邊界接口腐蝕，加速焊接失敗（幸而業界已轉用"綠色"無鹵素塑封材料）。因此，焊線和焊盤最好采用相同金屬（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可靠使用。

 

圖8.產生空洞的金屬間化合物生長

 

圖9顯示了單金屬焊接在高溫下的魯棒性。從焊接剖麵來看，195°C下經過3000小時後未出現IMC生長跡象。

 

圖9.195°C下3000小時後的單金屬焊接

 

IC封裝也必須能夠承受惡劣環境下施加的應力。塑料封裝盡管達到行業標準，但傳統上隻能在150°C的額定溫度下持續使用。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，但隻能持續較短時間。從封裝結構來看
，175°C是某些材料（如塑封材料）超過玻璃化轉變溫度的溫度點。在TG以上溫度工作會使關鍵參數（如CTE和彎曲模量）產生顯著機械變化，並因熱應變引起分層及開裂等焊接失敗現象。8

 

因此，高溫應用時最好選用密封陶瓷封裝（圖10）。密封可以防止導致腐蝕的濕氣和汙染進入。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。在極端溫度要求(< 175°C)較少的應用中
，最好采用塑料封裝，可以減少PCB麵積、降jiang低di成cheng本ben
，或huo是shi提ti供gong更geng好hao的de振zhen動dong順shun應ying性xing。對dui需xu要yao采cai用yong密mi封feng封feng裝zhuang和he高gao器qi件jian密mi度du的de係xi統tong而er言yan，高gao溫wen多duo芯xin片pian模mo塊kuai是shi一yi種zhong比bi較jiao合he理li的de解jie決jue方fang案an。然ran而er，這zhe種zhong方fang案an需xu要yao提ti供gong已yi知zhi合he格ge芯xin片pian。

 

圖10.密封側麵釺焊陶瓷DIP封裝

 

fengzhuangyinjiaopeizhihejinshuhuaqingkuangyebixujiayipinggu。biaomiantiezhuangqijianzhiliangjinqujueyuhanpanmianjiyijitongcengheyujincailiaozhijiandezhanjiezhiliang。lingyifangmian，tongkongDIP配置（業界最可靠的封裝之一）也可提供魯棒的衝擊和振動性能。極端情況下

，要想進一步提升連接強度
，還可以彎曲電路板底側引腳
，並將其"釘"在PCB上，但是
，通孔引腳排列不允許電路板低側的元件密集分布，這可能是空間限製嚴格的井下儀器等應用麵臨的一大問題。

 

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在許多高溫環境下麵臨高衝擊和振動時不夠魯棒。采用SMT器(qi)件(jian)時(shi)
，設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)應(ying)當(dang)考(kao)慮(lv)其(qi)高(gao)度(du)和(he)質(zhi)量(liang)。采(cai)用(yong)高(gao)溫(wen)環(huan)氧(yang)樹(shu)脂(zhi)可(ke)以(yi)提(ti)高(gao)連(lian)接(jie)魯(lu)棒(bang)性(xing)，但(dan)是(shi)會(hui)增(zeng)加(jia)製(zhi)造(zao)成(cheng)本(ben)，加(jia)大(da)維(wei)修(xiu)難(nan)度(du)。在(zai)所(suo)有(you)情(qing)況(kuang)下(xia)，引(yin)腳(jiao)金(jin)屬(shu)化(hua)層(ceng)都(dou)必(bi)須(xu)兼(jian)容(rong)高(gao)溫(wen)焊(han)料(liao)。

 

最常見的標準焊料合金熔點低於200°C。但是
，有一些現成的合金可以列入"高熔點"(HMP)合金，其熔點遠高於250°C。即便在這些情況下，對任何受應力影響的焊料而言，其最高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 （球柵陣列）封裝有工廠粘結的焊料球，熔點可能不會太高。

 

最後，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時可在任意位置發生玻璃化轉變，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，聚酰亞胺的吸濕性極強

，可能會使PCByouyugezhongjizhixunsuchuxianguzhang
，yinci，kongzhiqizaishiqizhongdebaoluzhiguanzhongyao。jinxienianlai，yejieyinjinlexishixingjiaoxiaoqienengzaigaowenshibaochiwanzhengdexinxingcengyacailiao。

 

驗證、認證與測試

 

在zai實shi驗yan室shi驗yan證zheng高gao溫wen器qi件jian並bing非fei易yi事shi，因yin為wei工gong程cheng師shi需xu要yao綜zong合he上shang述shu各ge項xiang技ji術shu才cai能neng在zai極ji端duan溫wen度du下xia測ce試shi器qi件jian性xing能neng。除chu了le在zai建jian造zao測ce試shi夾jia具ju時shi采cai用yong特te殊shu材cai料liao外wai，測ce試shi工gong程cheng師shi還hai必bi須xu謹jin慎shen操cao作zuo環huan境jing試shi驗yan箱xiang
，使shi係xi統tong調tiao整zheng至zhi所suo需xu的de溫wen度du變bian化hua。由you於yu膨peng脹zhang係xi數shu不bu匹pi配pei，快kuai速su溫wen度du變bian化hua會hui對duiPCB板上的焊點造成損害，產生翹曲變形，並最終使係統過早出現故障。業界采用的原則是將溫度變化率保持在每分鍾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。這裏需要引入一個加速係數α，根據Arrhenius方程計算：

 

 

其中Ea為激活能
，k為玻爾茲曼常數
，Ta為使用時的預期工作溫度
，Ts為(wei)應(ying)力(li)溫(wen)度(du)。雖(sui)然(ran)加(jia)速(su)老(lao)化(hua)問(wen)題(ti)對(dui)標(biao)準(zhun)產(chan)品(pin)影(ying)響(xiang)不(bu)大(da)，但(dan)是(shi)，應(ying)力(li)溫(wen)度(du)遠(yuan)高(gao)於(yu)額(e)定(ding)溫(wen)度(du)可(ke)能(neng)會(hui)引(yin)起(qi)新(xin)的(de)故(gu)障(zhang)機(ji)製(zhi)，並(bing)導(dao)致(zhi)結(jie)果(guo)不(bu)準(zhun)確(que)。因(yin)此(ci)，為(wei)保(bao)證(zheng)AD8229等高溫器件的終身可靠性，需要在210°C的最高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，預期壽命可以采用圖11所示的加速度關係進行預測

 

圖11.AD8229壽命與工作溫度，1000小時（210°C）11

 

高溫IC的(de)可(ke)靠(kao)特(te)性(xing)測(ce)試(shi)還(hai)存(cun)在(zai)其(qi)他(ta)阻(zu)礙(ai)因(yin)素(su)。例(li)如(ru)，采(cai)用(yong)的(de)測(ce)試(shi)和(he)測(ce)量(liang)係(xi)統(tong)可(ke)靠(kao)性(xing)取(qu)決(jue)於(yu)其(qi)最(zui)薄(bo)弱(ruo)的(de)環(huan)節(jie)。這(zhe)意(yi)味(wei)著(zhe)長(chang)期(qi)處(chu)於(yu)高(gao)溫(wen)下(xia)的(de)每(mei)個(ge)要(yao)素(su)自(zi)身(shen)的(de)可(ke)靠(kao)性(xing)都(dou)必(bi)須(xu)優(you)於(yu)IC。係xi統tong如ru果guo不bu可ke靠kao，產chan生sheng的de數shu據ju就jiu無wu法fa體ti現xian器qi件jian的de長chang期qi可ke靠kao性xing，並bing且qie使shi得de整zheng個ge過guo程cheng不bu斷duan重zhong複fu
，既ji昂ang貴gui又you耗hao時shi。統tong計ji技ji術shu可ke以yi提ti高gao測ce試shi成cheng功gong率lv，包bao括kuo準zhun確que加jia大da測ce試shi樣yang本ben
，以yi增zeng加jia誤wu差cha餘yu量liang，防fang止zhi因yinDUT（受測試器件）故障導致係統過早出現故障。

 

另一個阻礙因素由保證極端情況下性能參數所需的生產環節造成，例如測試
、探測和調整。開發團隊需要針對高溫產品對這些環節進行定製。

 

高溫係統設計考慮因素

 

高溫工作電路的設計人員必須考慮IC參(can)數(shu)和(he)無(wu)源(yuan)器(qi)件(jian)在(zai)寬(kuan)溫(wen)度(du)範(fan)圍(wei)內(nei)的(de)變(bian)化(hua)，特(te)別(bie)關(guan)注(zhu)其(qi)在(zai)極(ji)端(duan)溫(wen)度(du)下(xia)的(de)特(te)性(xing)

，以(yi)確(que)保(bao)電(dian)路(lu)能(neng)夠(gou)在(zai)目(mu)標(biao)限(xian)製(zhi)內(nei)工(gong)作(zuo)。例(li)如(ru)失(shi)調(tiao)和(he)輸(shu)入(ru)偏(pian)置(zhi)漂(piao)移(yi)、增益誤差、溫度係數、電壓額定值、功耗
、電路板泄露
，以及其他分立器件（如ESD使用的器件和過壓保護器件）的固有泄露。例如，在高源阻抗與某放大器輸入端串聯時，無用的漏電流（非放大器本身的偏置電流）會產生失調，進而引起偏置電流測量誤差（圖12）。

 

圖12.偏置電流和漏電流如何產生失調誤差

 

在所有情況下，高溫工作都會加重由焊劑、灰(hui)塵(chen)和(he)冷(leng)凝(ning)等(deng)汙(wu)染(ran)引(yin)起(qi)的(de)電(dian)路(lu)板(ban)泄(xie)露(lu)。合(he)理(li)的(de)布(bu)局(ju)有(you)助(zhu)於(yu)最(zui)大(da)程(cheng)度(du)地(di)減(jian)少(shao)上(shang)述(shu)影(ying)響(xiang)，具(ju)體(ti)做(zuo)法(fa)是(shi)在(zai)敏(min)感(gan)節(jie)點(dian)之(zhi)間(jian)提(ti)供(gong)足(zu)夠(gou)的(de)空(kong)間(jian)

，例(li)如(ru)將(jiang)放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)入(ru)和(he)含(han)噪(zao)聲(sheng)的(de)供(gong)電(dian)軌(gui)分(fen)離(li)。

 

運算放大器和儀表放大器的標準引腳排列方法是將其中一個輸入端放置在負電源端附近。這種做法會大大降低對PCB裝配後焊劑殘留的耐受能力，這些焊劑殘留會增加泄露。為了減少泄露
，增加高頻CMRR
，AD8229采用了與ADI公司其他精密儀表放大器相同的高性能引腳排列（圖13）。

 

圖13.器件引腳排列改進有助於將寄生泄露降至最低

 

二極管、瞬態電壓抑製器(TVS)heqitabandaotiqijiandexieludouhuisuizhewendushenggaochengzhishudizeng，erqiexuduoqingkuangxiadoubifangdaqideshurupianzhidianliugaochuhenduogeshuliangji。zaizhexieqingkuangxia，shejirenyuanbixuquebaojiduanwenduxiadexielubuhuijiangdidianluguige，shiqichaochusuoxuxianzhi。

 

如今

，有多種無源器件可供高溫工作環境使用。電阻和電容在各種電路設計中十分常見。表1列出了市場上現有的一些器件。

 

Table 1. Examples of High-Temperature Resistors and Capacitors

 

注意，表麵貼裝器件如果靠著PCB，引(yin)腳(jiao)間(jian)就(jiu)很(hen)容(rong)易(yi)產(chan)生(sheng)泄(xie)露(lu)，因(yin)為(wei)焊(han)劑(ji)殘(can)留(liu)在(zai)裝(zhuang)配(pei)結(jie)束(shu)後(hou)還(hai)會(hui)留(liu)在(zai)電(dian)路(lu)板(ban)底(di)部(bu)。這(zhe)些(xie)焊(han)劑(ji)殘(can)留(liu)會(hui)吸(xi)濕(shi)
，從(cong)而(er)增(zeng)加(jia)高(gao)溫(wen)時(shi)的(de)傳(chuan)導(dao)率(lv)。此(ci)時(shi)，表(biao)麵(mian)貼(tie)裝(zhuang)器(qi)件(jian)中(zhong)會(hui)出(chu)現(xian)寄(ji)生(sheng)電(dian)阻(zu)（特性很難預測），可能會引起其他的電路誤差。要解決這一問題，可以考慮選用尺寸較大的芯片、鷗翼引腳，或在特別敏感的電路區域采用通孔器件。最後
，在裝配過程結束前再增加一道有效的電路板清洗環節（通常采用超聲或皂化劑），無用的殘留幾乎就能全部清除。

 

設(she)計(ji)人(ren)員(yuan)在(zai)設(she)計(ji)惡(e)劣(lie)環(huan)境(jing)下(xia)工(gong)作(zuo)的(de)係(xi)統(tong)時(shi)
，必(bi)須(xu)謹(jin)記(ji)熱(re)管(guan)理(li)要(yao)求(qiu)。即(ji)使(shi)在(zai)用(yong)到(dao)高(gao)溫(wen)專(zhuan)用(yong)器(qi)件(jian)時(shi)，也(ye)應(ying)考(kao)慮(lv)與(yu)其(qi)功(gong)耗(hao)相(xiang)關(guan)的(de)自(zi)熱(re)效(xiao)應(ying)。例(li)如(ru)，AD8229的保證工作溫度高達210°C，相當於一個小輸出電流負載。由驅動高負載或永久故障條件（如輸出短路）造zao成cheng的de額e外wai功gong耗hao會hui增zeng加jia結jie溫wen
，使shi其qi超chao過guo器qi件jian的de最zui大da額e定ding值zhi，大da大da降jiang低di放fang大da器qi的de工gong作zuo壽shou命ming。請qing務wu必bi遵zun循xun推tui薦jian的de散san熱re指zhi南nan，並bing且qie注zhu意yi電dian源yuan調tiao節jie器qi等deng鄰lin近jin熱re源yuan。

 

即使是高溫電阻，70°C以上時額定功率也會降低。應特別注意目標工作溫度時的電阻溫度額定值，尤其是在功耗相當大的情況下。例如，假設額定值為200°C的電阻在190°C的環境溫度下工作
，如果其因功耗產生的自熱為20°C，那麼還是超過了額定值。

 

雖sui然ran許xu多duo無wu源yuan器qi件jian可ke以yi承cheng受shou高gao溫wen，但dan其qi結jie構gou可ke能neng並bing不bu適shi合he長chang期qi處chu於yu衝chong擊ji振zhen動dong和he高gao溫wen兼jian具ju的de環huan境jing。此ci外wai，高gao溫wen電dian阻zu和he電dian容rong製zhi造zao商shang也ye明ming確que規gui定ding了le其qi在zai給gei定ding溫wen度du下xia的de工gong作zuo壽shou命ming。使shi所suo有you器qi件jian的de工gong作zuo壽shou命ming規gui格ge保bao持chi匹pi配pei對dui建jian立li高gao度du可ke靠kao的de係xi統tong至zhi關guan重zhong要yao。最zui後hou，不bu要yao忘wang了le
，許xu多duo額e定ding值zhi達da到dao高gao溫wen的de器qi件jian可ke能neng需xu要yao降jiang低di額e定ding值zhi，以yi保bao持chi長chang久jiu工gong作zuo。

 

案例研究：繪製烤箱中的熱梯度

 

AD8229和ADXL206（雙軸加速度計）在(zai)輕(qing)便(bian)安(an)全(quan)的(de)高(gao)溫(wen)環(huan)境(jing)下(xia)工(gong)作(zuo)
，可(ke)作(zuo)為(wei)高(gao)溫(wen)應(ying)用(yong)中(zhong)兩(liang)種(zhong)適(shi)當(dang)的(de)器(qi)件(jian)進(jin)行(xing)演(yan)示(shi)。演(yan)示(shi)采(cai)用(yong)了(le)一(yi)個(ge)小(xiao)型(xing)電(dian)烤(kao)箱(xiang)
，帶(dai)有(you)一(yi)個(ge)旋(xuan)轉(zhuan)組(zu)件(jian)
，上(shang)方(fang)裝(zhuang)有(you)高(gao)溫(wen)PCB，且qie能neng夠gou連lian續xu工gong作zuo。烤kao箱xiang中zhong的de加jia熱re元yuan件jian位wei於yu頂ding部bu附fu近jin。這zhe種zhong設she計ji會hui在zai烤kao箱xiang內nei產chan生sheng較jiao大da的de溫wen度du梯ti度du。旋xuan轉zhuan機ji製zhi用yong於yu同tong時shi測ce量liang溫wen度du和he位wei置zhi的de實shi驗yan之zhi中zhong。

 

AD8229負責調理來自K型熱電偶的信號，熱電偶在烤箱內不斷旋轉。熱電偶探針伸出PCB約6英寸
，目的是為了更好地測量烤箱溫度變化。同時
，ADXL206負責測量旋轉角度。三個信號（溫度梯度、x軸加速度和y軸加速度）通過一個額定值達到高溫工作條件的滑環（旋轉連接器）來傳送。滑環可以保持與非旋轉線纜的連接，線纜連接至烤箱外的數據采集電路板。由於"冷結點"位於烤箱內部
，可以采用附加熱電偶為內部溫度提供靜態參考。AD8495熱電偶放大器（也位於烤箱外）采用其集成冷結補償來調理附加熱電偶的信號。

 

烤箱內的電路板位於中心附近的旋轉組件上

，該位置的溫度約為175°C。電路板結構采用聚酰亞胺材料。銅層上的走線采用0.020英寸的最小寬度，以改進銅與預浸材料的連接（圖14）。器件采用標準HMP焊料（5/93.5/1.5錫/鉛/銀）連接，並采用特氟龍鍍膜線連接電路板和滑環。

 

圖14.安裝器件的高溫PCB

 

所有的精密器件都采用通孔安裝。儀表放大器的增益通過一個25 ppm/°C的金屬薄膜電阻來設置。放大器在高增益下工作，因此，放大器到增益電阻的走線長度應盡可能短，以將銅電阻降至最低(4000 ppm/°C TC)。熱(re)電(dian)偶(ou)和(he)放(fang)大(da)器(qi)的(de)接(jie)口(kou)位(wei)於(yu)電(dian)路(lu)板(ban)中(zhong)心(xin)，目(mu)的(de)是(shi)在(zai)旋(xuan)轉(zhuan)時(shi)維(wei)持(chi)溫(wen)度(du)穩(wen)定(ding)。熱(re)電(dian)偶(ou)引(yin)腳(jiao)應(ying)盡(jin)可(ke)能(neng)靠(kao)近(jin)，以(yi)消(xiao)除(chu)結(jie)點(dian)上(shang)無(wu)用(yong)的(de)熱(re)電(dian)動(dong)勢(shi)效(xiao)應(ying)。

 

高溫鉭電容和C0G/NP0電容可對電源進行去耦，並用作加速度計輸出的濾波器。

 

計算機處理四個不同來源的數據：旋轉角度（矩形x和y分量）


、內部溫度梯度和參考溫度。綜合上述各項測量結果即可繪製出溫度梯度（圖15）。分析結果顯示
，溫度變化達到25°C。正zheng如ru預yu期qi，最zui高gao溫wen在zai烤kao箱xiang後hou壁bi頂ding部bu旁pang邊bian的de加jia熱re元yuan件jian附fu近jin。由you於yu存cun在zai自zi然ran對dui流liu

，烤kao箱xiang頂ding部bu是shi烤kao箱xiang內nei部bu第di二er熱re的de區qu域yu。最zui低di溫wen在zai熱re電dian偶ou與yu加jia熱re元yuan件jian位wei置zhi相xiang反fan時shi測ce得de。

 

該實驗以簡化形式表明，在惡劣環境下工作時，記錄係統中集成的高溫器件如何提取有價值信息。

 

圖15.高溫演示圖

 

結論

 

許多（包括成熟與新興）yingyongdouxuyaonenggouzaijiduangaowenhuanjingxiagongzuodeqijian。guoqu
，youyuqueshaoedingzhinenggouzaicileieliehuanjingxiagongzuodeqijian，shejizhezhongkekaodexitongshifenkunnan。erxianzai，nenggouzaizhexiehuanjingxiagongzuodeIC和(he)支(zhi)持(chi)器(qi)件(jian)都(dou)已(yi)出(chu)現(xian)，既(ji)節(jie)省(sheng)了(le)工(gong)程(cheng)設(she)計(ji)時(shi)間(jian)
，又(you)降(jiang)低(di)了(le)失(shi)敗(bai)風(feng)險(xian)。采(cai)用(yong)這(zhe)種(zhong)新(xin)技(ji)術(shu)並(bing)遵(zun)照(zhao)高(gao)溫(wen)設(she)計(ji)方(fang)法(fa)，就(jiu)能(neng)使(shi)高(gao)性(xing)能(neng)係(xi)統(tong)在(zai)與(yu)之(zhi)前(qian)可(ke)行(xing)環(huan)境(jing)相(xiang)比(bi)更(geng)加(jia)極(ji)端(duan)的(de)環(huan)境(jing)下(xia)可(ke)靠(kao)工(gong)作(zuo)。

 

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參考電路

 

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.

 

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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.

 

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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.

 

 

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