簡介

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

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(yè)（圖1）。在該應用中，工作溫度和地下井深成函數(shù)關系。全球地熱梯度一般為25°C/km深度，某些地區(qū)更大。

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(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（圖3），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）3

圖4.典型的汽車最高溫度范圍5

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(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。

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(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。

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(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。其中一項最重要也是最為人熟知的挑戰(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。

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(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(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小時后會影響焊接的完整性。

圖8.產(chǎn)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(jīng)過3000小時后未出現(xiàn)IMC生長跡象。

圖10.密封側(cè)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(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(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(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。

最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(jié)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(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，聚酰亞胺的吸濕性極強，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(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，并最終使系統(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：

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(tǒng)可靠性取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)。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(yōu)于IC。系統(tǒng)如果不可靠，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就無法體現(xiàn)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(tǒng)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(tǒng)過早出現(xiàn)故障。

另一個阻礙因素由保證極端情況下性能參數(shù)所需的生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成，例如測試、探測和調(diào)整。開發(fā)團隊需要針對高溫產(chǎn)品對這些環(huán)節(jié)進行定制。

高溫系統(tǒng)設計考慮因素

高溫工作電路的設計人員必須考慮IC參數(shù)和無源器件在寬溫度范圍內(nèi)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(nèi)工作。例如失調(diào)和輸入偏置漂移、增益誤差、溫度系數(shù)、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(lián)時，無用的漏電流（非放大器本身的偏置電流）會產(chǎn)生失調(diào)，進而引起偏置電流測量誤差（圖12）。

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(tài)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(shù)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(shù)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(guī)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(huán)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(xiàn)有的一些器件。

Table 1. Examples of High-Temperature Resistors and Capacitors

電容最高額定溫度注釋

MLCC（陶瓷）C0G/NP0200°C低容值，低溫度系數(shù)（TC），提供SMT或通孔封裝

MLCC（陶瓷）C0G/NP0200°CTC高于C0G/NP0，成本低

液體鉭電解電容200°C高容值，大多數(shù)采用通孔封裝

鉭電解電容175°C高容值，提供SMT封裝

電阻最高額定溫度注釋

線繞電阻275°C高浪涌能力，穩(wěn)定

金屬薄膜電阻230°C高精度

金屬氧化物電阻230°C通用

厚膜電阻275°C通用，寬電阻范圍

薄膜電阻215°C緊湊，低TC，高穩(wěn)定性，提供電阻陣列

陶瓷復合電阻220°C碳素電阻在高溫下的替代品

注意，表面貼裝器件如果靠著PCB，引腳間就很容易產(chǎn)生泄露，因為焊劑殘留在裝配結(jié)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(xiàn)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(qū)域采用通孔器件。最后，在裝配過程結(jié)束前再增加一道有效的電路板清洗環(huán)節(jié)（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(huán)境下工作的系統(tǒng)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(qū)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(jié)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(diào)節(jié)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(huán)境溫度下工作，如果其因功耗產(chǎn)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(jié)構可能并不適合長期處于沖擊振動和高溫兼具的環(huán)境。此外，高溫電阻和電容制造商也明確規(guī)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(guī)格保持匹配對建立高度可靠的系統(tǒng)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(huán)境下工作，可作為高溫應用中兩種適當?shù)钠骷M行演示。演示采用了一個小型電烤箱，帶有一個旋轉(zhuǎn)組件，上方裝有高溫PCB，且能夠連續(xù)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(nèi)產(chǎn)生較大的溫度梯度。旋轉(zhuǎn)機制用于同時測量溫度和位置的實驗之中。

AD8229負責調(diào)理來自K型熱電偶的信號，熱電偶在烤箱內(nèi)不斷旋轉(zhuǎn)。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(zhuǎn)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(huán)（旋轉(zhuǎn)連接器）來傳送。滑環(huán)可以保持與非旋轉(zhuǎn)線纜的連接，線纜連接至烤箱外的數(shù)據(jù)采集電路板。由于“冷結(jié)點”位于烤箱內(nèi)部，可以采用附加熱電偶為內(nèi)部溫度提供靜態(tài)參考。AD8495熱電偶放大器（也位于烤箱外）采用其集成冷結(jié)補償來調(diào)理附加熱電偶的信號。

烤箱內(nèi)的電路板位于中心附近的旋轉(zhuǎn)組件上，該位置的溫度約為175°C。電路板結(jié)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(huán)。

圖15.高溫演示圖

結(jié)論

許多（包括成熟與新興）應用都需要能夠在極端高溫環(huán)境下工作的器件。過去，由于缺少額定值能夠在此類惡劣環(huán)境下工作的器件，設計這種可靠的系統(tǒng)十分困難。而現(xiàn)在，能夠在這些環(huán)境下工作的IC和支持器件都已出現(xiàn)，既節(jié)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(tǒng)在與之前可行環(huán)境相比更加極端的環(huán)境下可靠工作。
編輯：hfy