影響高溫電子設(shè)備的認(rèn)證方法和設(shè)計(jì)技術(shù)

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(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2.簡化測(cè)井儀器信號(hào)鏈

圖2.簡化測(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(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。

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(shí)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(píng)估。表面貼裝器件質(zhì)量僅取決于焊盤面積以及銅層和預(yù)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(dòng)性能。極端情況下，要想進(jìn)一步提升連接強(qiáng)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(yán)格的井下儀器等應(yīng)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(dòng)時(shí)不夠魯棒。采用SMT器件時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)當(dāng)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(huì)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(biāo)準(zhǔn)焊料合金熔點(diǎn)低于200°C。但是，有一些現(xiàn)成的合金可以列入“高熔點(diǎn)”（HMP）合金，其熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于250°C。即便在這些情況下，對(duì)任何受應(yīng)力影響的焊料而言，其最高推薦工作溫度也比其熔點(diǎn)低40°C左右。例如，標(biāo)準(zhǔn)HMP焊料合金由5%的錫、93.5%的鉛和1.5%的銀組成，熔點(diǎn)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(diǎn)可能不會(huì)太高。

最后，PCB本身也可能是焊接失敗的原因。標(biāo)準(zhǔn)FR4材料在130°C至180°C時(shí)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(shí)間較短），也會(huì)出現(xiàn)擴(kuò)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(dá)250°C，具體依成分而定。但是，聚酰亞胺的吸濕性極強(qiáng)，可能會(huì)使PCB由于各種機(jī)制迅速出現(xiàn)故障，因此，控制其在濕氣中的暴露至關(guān)重要。近些年來，業(yè)界引進(jìn)了吸濕性較小且能在高溫時(shí)保持完整的新型層壓材料。

驗(yàn)證、認(rèn)證與測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證高溫器件并非易事，因?yàn)楣こ處熜枰C合上述各項(xiàng)技術(shù)才能在極端溫度下測(cè)試器件性能。除了在建造測(cè)試夾具時(shí)采用特殊材料外，測(cè)試工程師還必須謹(jǐn)慎操作環(huán)境試驗(yàn)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(huì)對(duì)PCB板上的焊點(diǎn)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(cè)試過程，在高溫下測(cè)試電子器件是一種可以接受的方法。這里需要引入一個(gè)加速系數(shù)α，根據(jù)Arrhenius方程計(jì)算：

圖11.AD8229壽命與工作溫度，1000小時(shí)（210°C）11

高溫IC的可靠特性測(cè)試還存在其他阻礙因素。例如，采用的測(cè)試和測(cè)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(gè)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(gè)過程不斷重復(fù)，既昂貴又耗時(shí)。統(tǒng)計(jì)技術(shù)可以提高測(cè)試成功率，包括準(zhǔn)確加大測(cè)試樣本，以增加誤差余量，防止因DUT（受測(cè)試器件）故障導(dǎo)致系統(tǒng)過早出現(xiàn)故障。

另一個(gè)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(cè)試、探測(cè)和調(diào)整。開發(fā)團(tuán)隊(duì)需要針對(duì)高溫產(chǎn)品對(duì)這些環(huán)節(jié)進(jìn)行定制。

高溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮因素

高溫工作電路的設(shè)計(jì)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(guān)注其在極端溫度下的特性，以確保電路能夠在目標(biāo)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(hù)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(shí)，無用的漏電流（非放大器本身的偏置電流）會(huì)產(chǎn)生失調(diào)，進(jìn)而引起偏置電流測(cè)量誤差（圖12）。

圖13.器件引腳排列改進(jìn)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(dǎo)體器件的泄露都會(huì)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(gè)數(shù)量級(jí)。在這些情況下，設(shè)計(jì)人員必須確保極端溫度下的泄露不會(huì)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(shè)計(jì)中十分常見。表1列出了市場(chǎng)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(fù)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?yàn)楹竸埩粼谘b配結(jié)束后還會(huì)留在電路板底部。這些焊劑殘留會(huì)吸濕，從而增加高溫時(shí)的傳導(dǎo)率。此時(shí)，表面貼裝器件中會(huì)出現(xiàn)寄生電阻（特性很難預(yù)測(cè)），可能會(huì)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(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)惡劣環(huán)境下工作的系統(tǒng)時(shí)，必須謹(jǐn)記熱管理要求。即使在用到高溫專用器件時(shí)，也應(yīng)考慮與其功耗相關(guān)的自熱效應(yīng)。例如，AD8229的保證工作溫度高達(dá)210°C，相當(dāng)于一個(gè)小輸出電流負(fù)載。由驅(qū)動(dòng)高負(fù)載或永久故障條件（如輸出短路）造成的額外功耗會(huì)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(qǐng)務(wù)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(shí)額定功率也會(huì)降低。應(yīng)特別注意目標(biāo)工作溫度時(shí)的電阻溫度額定值，尤其是在功耗相當(dāng)大的情況下。例如，假設(shè)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(gòu)可能并不適合長期處于沖擊振動(dòng)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(duì)建立高度可靠的系統(tǒng)至關(guān)重要。最后，不要忘了，許多額定值達(dá)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(jì)）在輕便安全的高溫環(huán)境下工作，可作為高溫應(yīng)用中兩種適當(dāng)?shù)钠骷M(jìn)行演示。演示采用了一個(gè)小型電烤箱，帶有一個(gè)旋轉(zhuǎn)組件，上方裝有高溫PCB，且能夠連續(xù)工作?？鞠渲械募訜嵩挥陧敳扛浇＿@種設(shè)計(jì)會(huì)在烤箱內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度梯度。旋轉(zhuǎn)機(jī)制用于同時(shí)測(cè)量溫度和位置的實(shí)驗(yàn)之中。

AD8229負(fù)責(zé)調(diào)理來自K型熱電偶的信號(hào)，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(cè)量烤箱溫度變化。同時(shí)，ADXL206負(fù)責(zé)測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度。三個(gè)信號(hào)（溫度梯度、x軸加速度和y軸加速度）通過一個(gè)額定值達(dá)到高溫工作條件的滑環(huán)（旋轉(zhuǎn)連接器）來傳送?；h(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(diǎn)”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(bǔ)償來調(diào)理附加熱電偶的信號(hào)。

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(gòu)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(jìn)銅與預(yù)浸材料的連接（圖14）。器件采用標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)間，又降低了失敗風(fēng)險(xiǎn)。采用這種新技術(shù)并遵照高溫設(shè)計(jì)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