Jeff Watson 和 Gustavo Castro 簡(jiǎn)介 許多行業(yè)都需要能夠在極端高溫等惡劣環(huán)境下可靠工作的電子設(shè)備。依照傳統(tǒng)做法，在設(shè)計(jì)需要在常溫范圍之外工作的電子設(shè)備時(shí)，工程師必須采用主動(dòng)或被動(dòng)冷卻技術(shù)，但某些應(yīng)用可能無法進(jìn)行冷卻，或是電子設(shè)備在高溫下工作時(shí)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(rèn)證方法和設(shè)計(jì)技術(shù)。 高溫應(yīng)用 最古老以及目前最大的高溫電子設(shè)備(>150°C)應(yīng)用領(lǐng)域是地下石油和天然氣行業(yè)（圖1）。在該應(yīng)用中，工作溫度和地下井深成函數(shù)關(guān)系。全球地?zé)崽荻纫话銥?5°C/km深度，某些地區(qū)更大。 圖1.地下鉆探作業(yè) 過去，鉆探作業(yè)最高在150°C至175°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，然而，由于地下易鉆探自然資源儲(chǔ)備的減少和技術(shù)進(jìn)步，行業(yè)的鉆探深度開始加深，同時(shí)也開始在地?zé)崽荻容^高的地區(qū)進(jìn)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(dòng)冷卻技術(shù)在這種惡劣環(huán)境下不太現(xiàn)實(shí)，被動(dòng)冷卻技術(shù)在發(fā)熱不限于電子設(shè)備時(shí)也不太有效。 地下鉆探行業(yè)中高溫電子設(shè)備的應(yīng)用十分復(fù)雜。首先，在鉆探作業(yè)過程中，電子設(shè)備和傳感器會(huì)引導(dǎo)鉆探設(shè)備并監(jiān)控其狀態(tài)是否正常。隨著定向鉆探技術(shù)的出現(xiàn)，高溫地質(zhì)導(dǎo)向儀器必須將鉆孔位置精確引導(dǎo)至地質(zhì)目標(biāo)。 鉆孔時(shí)或鉆孔剛結(jié)束時(shí)，精密的井下儀器會(huì)收集周圍的地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)。這種做法稱為測(cè)井可以測(cè)量電阻率、放射性、聲音傳播時(shí)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(xué)家可以從構(gòu)造上對(duì)巖石類型進(jìn)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?xì)浠衔铩?最后，在完成和生產(chǎn)階段，電子系統(tǒng)會(huì)監(jiān)控壓力、溫度、振動(dòng)和多相位流動(dòng)，并主動(dòng)控制閥門。要滿足這些需求，需要有一個(gè)完整的高性能元件信號(hào)鏈（圖2）。系統(tǒng)可靠性是最重要的因素，因?yàn)樵O(shè)備故障會(huì)造成極高的停機(jī)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(shí)間來檢修及更換，操作復(fù)雜深水海上鉆井平臺(tái)每天大約需要花費(fèi)100萬美元！ 圖2.簡(jiǎn)化測(cè)井儀器信號(hào)鏈 圖2.簡(jiǎn)化測(cè)井儀器信號(hào)鏈:除了石油和天然氣行業(yè)外，航空電子等其他應(yīng)用對(duì)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(jī)"(MEA)的趨勢(shì)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(dòng)機(jī)控制器。1集中式控制需要采用由數(shù)百個(gè)導(dǎo)體和多個(gè)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(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)放置在離發(fā)動(dòng)機(jī)較近的地方（圖3），將互連的復(fù)雜性降低了10倍，使飛機(jī)的重量減輕了數(shù)百磅，2同時(shí)增加了系統(tǒng)可靠性（估計(jì)值在某種程度上與連接器引腳數(shù)成函數(shù)關(guān)系（根據(jù)MIL-HDBK-217F計(jì)算）3 圖3.安裝在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上的控制系統(tǒng) 但是，代價(jià)是發(fā)動(dòng)機(jī)附近的環(huán)境溫度會(huì)上升（–55°C至 200°C）。雖然該應(yīng)用中電子設(shè)備可以進(jìn)行冷卻，但依然會(huì)產(chǎn)生不利影響，原因有二：首先，冷卻會(huì)增加飛機(jī)的成本和重量，其次（也是最重要的一點(diǎn)），冷卻系統(tǒng)故障會(huì)導(dǎo)致控制關(guān)鍵系統(tǒng)的電子設(shè)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(hù)成本。理想狀態(tài)下，控制電子設(shè)備必須離執(zhí)行器很近，這也會(huì)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(shè)備的另一種新興應(yīng)用。和航空電子一樣，汽車業(yè)也在從純機(jī)械和液壓系統(tǒng)向機(jī)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(hào)調(diào)理，以及控制電子設(shè)備。 最高溫度和暴露時(shí)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(jī)械系統(tǒng)（如變速箱配置和變速箱控制器），可以簡(jiǎn)化汽車子系統(tǒng)的生產(chǎn)、測(cè)試和維護(hù)過程。5電氣車輛和混合電動(dòng)車需要高能量密度的電子設(shè)備，用作轉(zhuǎn)換器，電機(jī)控制，充電電路這些和高溫相關(guān)的部分。 圖4.典型的汽車最高溫度范圍5 使用超出數(shù)據(jù)手冊(cè)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(shè)備設(shè)計(jì)師只能使用遠(yuǎn)高于額定規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)溫度器件。有些標(biāo)準(zhǔn)溫度的IC確實(shí)能在高溫下工作，但是使用起來非常困難，并且十分危險(xiǎn)。例如，工程師必須確定可能選用的器件，充分測(cè)試并描述其溫度性能，并驗(yàn)證其長期可靠性。器件的性能和壽命經(jīng)常會(huì)大幅遞減。這一過程充滿挑戰(zhàn)且昂貴耗時(shí)： 器件驗(yàn)證需要用高溫印刷電路板(PCB)和設(shè)備在實(shí)驗(yàn)室烤箱中進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試時(shí)間至少應(yīng)達(dá)到任務(wù)剖面所需的時(shí)間。由于可能面臨新的故障機(jī)制，測(cè)試速度很難加快。測(cè)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(cè)試，從而延長項(xiàng)目時(shí)間。 數(shù)據(jù)手冊(cè)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(huì)在極端溫度時(shí)導(dǎo)致意外故障。 塑料封裝只在不超過約175°C時(shí)保持魯棒，且工作壽命減少。在這一溫度限值附近，如果不進(jìn)行昂貴耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)。許多工程師都喜歡采用帶引腳的封裝（如DIP或鷗翼SMT），因?yàn)檫@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(huì)進(jìn)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(cè)試的芯片就更少。 由于時(shí)間和測(cè)試設(shè)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(yīng)用電路中，而不是涵蓋所有的關(guān)鍵器件參數(shù)，使器件難以不經(jīng)進(jìn)一步測(cè)試便重新用于其它項(xiàng)目。 數(shù)據(jù)手冊(cè)未列出的關(guān)鍵IC屬性（如金屬互連的電子遷移）可能在高溫時(shí)引起故障。 針對(duì)高溫設(shè)計(jì)并通過認(rèn)證的IC 幸運(yùn)的是，憑借最近的IC技術(shù)，能夠保證以數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格在高溫下可靠工作的器件已經(jīng)問世。工藝技術(shù)、電路設(shè)計(jì)和布局技術(shù)均有所發(fā)展。 要想在高溫條件下順利工作，必須能夠同時(shí)管理多個(gè)關(guān)鍵器件特性。其中一項(xiàng)最重要也是最為人熟知的挑戰(zhàn)是因?yàn)橐r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(qiáng)度下降。6雖然標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)硅工藝中的泄露就會(huì)增加一倍，許多精密應(yīng)用都不能接受這一情況。 溝道隔離、絕緣硅片 (SOI)和標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中的其他變化都會(huì)大大降低泄露，使高性能工作溫度遠(yuǎn)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(huì)使性能進(jìn)一步提升，實(shí)驗(yàn)室研究顯示，碳化硅IC可在高達(dá)600°C下工作。但是，SiC是一種新型的工藝技術(shù)，目前市場(chǎng)上只有功率開關(guān)之類的簡(jiǎn)單器件。 圖5.體硅與SOI的結(jié)點(diǎn)泄露機(jī)制對(duì)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(huán)境中的微弱信號(hào)。這種專用放大器通常是測(cè)量前端的第一個(gè)器件，因此，其性能對(duì)整個(gè)信號(hào)鏈的信能至關(guān)重要。 ADI公司開發(fā)團(tuán)隊(duì)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(duì)這一目的進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了滿足其獨(dú)特的性能要求，還選用了專有的SOI雙極性工藝技術(shù)。設(shè)計(jì)人員采用了特殊電路技術(shù)，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(huì)顯著影響AD8229的性能和可靠性。為了在整個(gè)溫度范圍內(nèi)維持低失調(diào)和高共模抑制比(CMRR)，布局應(yīng)補(bǔ)償互連和溫度系數(shù)的變化。此外，仔細(xì)分析關(guān)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(shè)計(jì)人員還會(huì)預(yù)測(cè)故障條件，以防止過早擊穿。 憑借魯棒的工藝、電路設(shè)計(jì)和布局技術(shù)，器件可以滿足整個(gè)溫度范圍內(nèi)最嚴(yán)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(dāng)于完成了一半的工作。在高溫下進(jìn)行芯片封裝并將其連接至PCB絕非易事。高溫時(shí)許多因素都會(huì)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(biāo)準(zhǔn)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(duì)芯片、芯片粘著材料和基板的熱膨脹系數(shù)(CTE)進(jìn)行匹配時(shí)需要特別注意，以防止芯片在寬溫度范圍內(nèi)反復(fù)工作時(shí)受到應(yīng)力或斷裂。芯片上即便受到少量的機(jī)械應(yīng)力，也可能會(huì)導(dǎo)致電氣參數(shù)發(fā)生變化，達(dá)到精密應(yīng)用不可接受的水平。對(duì)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(duì)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(huì)導(dǎo)致焊接易碎；另一方面是擴(kuò)散（柯肯達(dá)爾效應(yīng)），這會(huì)在接口處產(chǎn)生空洞，減小焊接強(qiáng)度并增加其電阻。遺憾的是，業(yè)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(shí)就容易產(chǎn)生上述現(xiàn)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(jīng)過500小時(shí)后會(huì)影響焊接的完整性。