【導讀】許多行業都需要能夠在極端高溫等惡劣環境下可靠工作的電子設備。依照傳統做法，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，可提升系統可靠性或降低成本。這便提出了影響電子系統方方面面的諸多挑戰，包括硅、封裝、認證方法和設計技術。
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系。全球地熱梯度一般為25°C/km深度，某些地區更大。
圖1.地下鉆探作業
過去，鉆探作業最高在150°C至175°C的溫度范圍內進行，然而，由于地下易鉆探自然資源儲備的減少和技術進步，行業的鉆探深度開始加深，同時也開始在地熱梯度較高的地區進行鉆探。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境下不太現實，被動冷卻技術在發熱不限于電子設備時也不太有效。
地下鉆探行業中高溫電子設備的應用十分復雜。首先，在鉆探作業過程中，電子設備和傳感器會引導鉆探設備并監控其狀態是否正常。隨著定向鉆探技術的出現，高溫地質導向儀器必須將鉆孔位置精確引導至地質目標。
鉆孔時或鉆孔剛結束時，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，如巖性、孔隙度、滲透率，以及水/烴飽和度。通過這些數據，地質學家可以從構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，以及含流體區域能否提取出足夠數量的碳氫化合物。
最后，在完成和生產階段，電子系統會監控壓力、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元件信號鏈（圖2）。系統可靠性是最重要的因素，因為設備故障會造成極高的停機成本。在地下數英里作業的鉆柱如果出現電子組件故障，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！
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。這一方案一方面是為了用分布式控制系統取代傳統集中式發動機控制器。1集中式控制需要采用由數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動機控制系統放置在離發動機較近的地方（圖3），將互連的復雜性降低了10倍，使飛機的重量減輕了數百磅，2同時增加了系統可靠性（估計值在某種程度上與連接器引腳數成函數關系（根據MIL-HDBK-217F計算）3
圖3.安裝在飛機發動機上的控制系統
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），冷卻系統故障會導致控制關鍵系統的電子設備出現故障。
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，以提升可靠性，減少維護成本。理想狀態下，控制電子設備必須離執行器很近，這也會產生較高的環境溫度。
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系統向機電一體化系統轉變。4這就需要有離熱源更近的定位傳感器、信號調理，以及控制電子設備。
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系統（如變速箱配置和變速箱控制器），可以簡化汽車子系統的生產、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，電機控制，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范圍5
使用超出數據手冊溫度規格的IC
過去，由于無法獲得高溫IC，石油和天然氣等行業的高溫電子設備設計師只能使用遠高于額定規格的標準溫度器件。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常會大幅遞減。這一過程充滿挑戰且昂貴耗時：
● 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。測試過程中如出現故障，需要再次選擇器件并經過長期測試，從而延長項目時間。
● 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。由于其他行業傾向于小型無引腳封裝，會進一步限制器件的選擇。
● 最好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，使器件難以不經進一步測試便重新用于其它項目。
● 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。
針對高溫設計并通過認證的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。其中一項最重要也是最為人熟知的挑戰是因為襯底漏電流上升而產生。其他因素包括載流子遷移率, 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。
圖5.體硅與SOI的結點泄露機制對比
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境中的微弱信號。這種專用放大器通常是測量前端的第一個器件，因此，其性能對整個信號鏈的信能至關重要。
ADI公司開發團隊從一開始就選定 AD8229 儀表放大器用于高溫工作環境，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。為了在整個溫度范圍內維持低失調和高共模抑制比(CMRR)，布局應補償互連和溫度系數的變化。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，并提升極端條件下的可靠性。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最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（圖6）。
圖6.IC封裝和貼裝元件
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系數(CTE)進行匹配時需要特別注意，以防止芯片在寬溫度范圍內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發生變化，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），這會在接口處產生空洞，減小焊接強度并增加其電阻。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/鋁焊接的剖面圖，該圖顯示了IMC的生長情況，在高溫條件下經過500小時后會影響焊接的完整性。
圖7.195°C下500小時后的金/鋁焊接
從圖8中可以看到，高溫焊接失敗后出現了明顯的金/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。從焊接剖面來看，195°C下經過3000小時后未出現IMC生長跡象。
圖9.195°C下3000小時后的單金屬焊接
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，但傳統上只能在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，但只能持續較短時間。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，并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。
圖10.密封側面釬焊陶瓷DIP封裝
封裝引腳配置和金屬化情況也必須加以評估。表面貼裝器件質量僅取決于焊盤面積以及銅層和預浸材料之間的粘結質量。另一方面，通孔DIP配置（業界最可靠的封裝之一）也可提供魯棒的沖擊和振動性能。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，并將其"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量。采用高溫環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。
最常見的標準焊料合金熔點低于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PCB由于各種機制迅速出現故障，因此，控制其在濕氣中的暴露至關重要。近些年來，業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極端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境試驗箱，使系統調整至所需的溫度變化。由于膨脹系數不匹配，快速溫度變化會對PCB板上的焊點造成損害，產生翹曲變形，并最終使系統過早出現故障。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為應力溫度。雖然加速老化問題對標準產品影響不大，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所示的加速度關系進行預測
圖11.AD8229壽命與工作溫度，1000小時（210°C）11
高溫IC的可靠特性測試還存在其他阻礙因素。例如，采用的測試和測量系統可靠性取決于其最薄弱的環節。這意味著長期處于高溫下的每個要素自身的可靠性都必須優于IC。系統如果不可靠，產生的數據就無法體現器件的長期可靠性，并且使得整個過程不斷重復，既昂貴又耗時。統計技術可以提高測試成功率，包括準確加大測試樣本，以增加誤差余量，防止因DUT（受測試器件）故障導致系統過早出現故障。
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制。
高溫系統設計考慮因素
高溫工作電路的設計人員必須考慮IC參數和無源器件在寬溫度范圍內的變化，特別關注其在極端溫度下的特性，以確保電路能夠在目標限制內工作。例如失調和輸入偏置漂移、增益誤差、溫度系數、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、灰塵和冷凝等污染引起的電路板泄露。合理的布局有助于最大程度地減少上述影響，具體做法是在敏感節點之間提供足夠的空間，例如將放大器輸入和含噪聲的供電軌分離。
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裝配后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于將寄生泄露降至最低
二極管、瞬態電壓抑制器(TVS)和其他半導體器件的泄露都會隨著溫度升高成指數遞增，而且許多情況下都比放大器的輸入偏置電流高出很多個數量級。在這些情況下，設計人員必須確保極端溫度下的泄露不會降低電路規格，使其超出所需限制。
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，表面貼裝器件如果靠著PCB，引腳間就很容易產生泄露，因為焊劑殘留在裝配結束后還會留在電路板底部。這些焊劑殘留會吸濕，從而增加高溫時的傳導率。此時，表面貼裝器件中會出現寄生電阻（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。最后，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。
設計人員在設計惡劣環境下工作的系統時，必須謹記熱管理要求。即使在用到高溫專用器件時，也應考慮與其功耗相關的自熱效應。例如，AD8229的保證工作溫度高達210°C，相當于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）造成的額外功耗會增加結溫，使其超過器件的最大額定值，大大降低放大器的工作壽命。請務必遵循推薦的散熱指南，并且注意電源調節器等鄰近熱源。
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，那么還是超過了額定值。
雖然許多無源器件可以承受高溫，但其結構可能并不適合長期處于沖擊振動和高溫兼具的環境。此外，高溫電阻和電容制造商也明確規定了其在給定溫度下的工作壽命。使所有器件的工作壽命規格保持匹配對建立高度可靠的系統至關重要。最后，不要忘了，許多額定值達到高溫的器件可能需要降低額定值，以保持長久工作。
案例研究：繪制烤箱中的熱梯度
AD8229和ADXL206（雙軸加速度計）在輕便安全的高溫環境下工作，可作為高溫應用中兩種適當的器件進行演示。演示采用了一個小型電烤箱，帶有一個旋轉組件，上方裝有高溫PCB，且能夠連續工作。烤箱中的加熱元件位于頂部附近。這種設計會在烤箱內產生較大的溫度梯度。旋轉機制用于同時測量溫度和位置的實驗之中。
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。由于"冷結點"位于烤箱內部，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（也位于烤箱外）采用其集成冷結補償來調理附加熱電偶的信號。
烤箱內的電路板位于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，并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)。熱電偶和放大器的接口位于電路板中心，目的是在旋轉時維持溫度穩定。熱電偶引腳應盡可能靠近，以消除結點上無用的熱電動勢效應。
高溫鉭電容和C0G/NP0電容可對電源進行去耦，并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制出溫度梯度（圖15）。分析結果顯示，溫度變化達到25°C。正如預期，最高溫在烤箱后壁頂部旁邊的加熱元件附近。由于存在自然對流，烤箱頂部是烤箱內部第二熱的區域。最低溫在熱電偶與加熱元件位置相反時測得。
該實驗以簡化形式表明，在惡劣環境下工作時，記錄系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）應用都需要能夠在極端高溫環境下工作的器件。過去，由于缺少額定值能夠在此類惡劣環境下工作的器件，設計這種可靠的系統十分困難。而現在，能夠在這些環境下工作的IC和支持器件都已出現，既節省了工程設計時間，又降低了失敗風險。采用這種新技術并遵照高溫設計方法，就能使高性能系統在與之前可行環境相比更加極端的環境下可靠工作。
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參考電路
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