高溫電子設(shè)備對(duì)設(shè)計(jì)和可靠性構(gòu)成挑戰(zhàn)

作者：Jeff Watson and Gustavo Castro

許多行業(yè)都在要求電子產(chǎn)品能夠在惡劣的環(huán)境中可靠運(yùn)行，包括極高的溫度。傳統(tǒng)上，工程師在設(shè)計(jì)必須在正常溫度范圍之外運(yùn)行的電子設(shè)備時(shí)，必須依靠主動(dòng)或被動(dòng)冷卻，但在某些應(yīng)用中，冷卻可能是不可能的，或者電子設(shè)備可能更適合高溫運(yùn)行以提高系統(tǒng)可靠性或降低成本。這種選擇帶來(lái)了影響電子系統(tǒng)許多方面的挑戰(zhàn)，包括硅、封裝、鑒定方法和設(shè)計(jì)技術(shù)。

高溫應(yīng)用

高溫電子設(shè)備（>150°C）歷史最悠久，目前最大的用戶是井下石油和天然氣行業(yè)。在此應(yīng)用中，工作溫度是井地下深度的函數(shù)。在世界范圍內(nèi)，典型的地?zé)崽荻葹?5°C/km深度，但在某些地區(qū)，它更大。

過(guò)去，鉆井作業(yè)在150°C至175°C的溫度下達(dá)到最高水平，但易于獲取的自然資源儲(chǔ)量下降，加上技術(shù)的進(jìn)步，促使該行業(yè)鉆探得更深，以及世界上地?zé)崽荻容^高的地區(qū)。這些敵對(duì)井中的溫度可能超過(guò)200°C，壓力大于25 kpsi。在這種惡劣的環(huán)境中，主動(dòng)冷卻是不切實(shí)際的，當(dāng)加熱不限于電子設(shè)備時(shí)，被動(dòng)冷卻技術(shù)是無(wú)效的。

高溫電子設(shè)備在井下行業(yè)的應(yīng)用可能相當(dāng)復(fù)雜。首先，在鉆井作業(yè)期間，電子設(shè)備和傳感器操縱鉆井設(shè)備并監(jiān)控其健康狀況。隨著定向鉆井技術(shù)的出現(xiàn)，高性能地質(zhì)導(dǎo)向儀器必須將鉆孔位置引導(dǎo)到精確的地質(zhì)靶區(qū)。

在鉆探時(shí)或之后不久，復(fù)雜的井下儀器會(huì)獲取有關(guān)周?chē)刭|(zhì)構(gòu)造的數(shù)據(jù)。這種做法被稱為測(cè)井，測(cè)量電阻率、放射性、聲學(xué)傳播時(shí)間、磁共振和其他特性，以確定地層的特征，如巖性、孔隙率、滲透率和水/碳?xì)浠衔镲柡投取＿@些數(shù)據(jù)使地質(zhì)學(xué)家能夠判斷地層中的巖石類型，存在的流體類型及其位置，以及是否可以從含流體區(qū)域?qū)嶋H提取足夠數(shù)量的碳?xì)浠衔铩?/p>

最后，在完成和生產(chǎn)階段，電子系統(tǒng)監(jiān)控壓力、溫度、振動(dòng)和多相流，并主動(dòng)控制閥門(mén)。滿足這些需求需要高性能元件的完整信號(hào)鏈（圖 2）。系統(tǒng)可靠性至關(guān)重要，因?yàn)樵O(shè)備故障導(dǎo)致的停機(jī)成本可能相當(dāng)嚴(yán)重。在地下數(shù)英里的鉆柱上運(yùn)行的故障電子組件可能需要一天以上的時(shí)間來(lái)檢索和更換 - 而操作復(fù)雜的深水海上鉆井平臺(tái)的費(fèi)用約為每天100萬(wàn)美元！

圖2.簡(jiǎn)化的井下測(cè)井儀表信號(hào)鏈。

其他用戶：除了石油和天然氣行業(yè)，其他應(yīng)用，如航空電子設(shè)備，正在出現(xiàn)高溫電子設(shè)備。航空業(yè)現(xiàn)在越來(lái)越傾向于“更多電動(dòng)飛機(jī)”（MEA）。該計(jì)劃的一部分旨在用分布式控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)的集中式發(fā)動(dòng)機(jī)控制器。1集中控制需要具有數(shù)百根導(dǎo)線和多個(gè)連接器接口的大型重型線束。轉(zhuǎn)向分布式控制方案使發(fā)動(dòng)機(jī)控制裝置更靠近發(fā)動(dòng)機(jī)，將互連的復(fù)雜性降低了 10 倍，節(jié)省了數(shù)百磅的飛機(jī)重量，2并提高系統(tǒng)的可靠性（部分估計(jì)為連接器引腳數(shù)的函數(shù)（根據(jù) MIL-HDBK-217F））。

然而，代價(jià)是靠近發(fā)動(dòng)機(jī)的環(huán)境溫度范圍為 –55°C 至 +200°C。 雖然電子設(shè)備可以在此應(yīng)用中冷卻，但出于兩個(gè)原因，這是不可取的：冷卻會(huì)增加飛機(jī)的成本和重量，最重要的是，冷卻系統(tǒng)的故障可能導(dǎo)致控制關(guān)鍵系統(tǒng)的電子設(shè)備出現(xiàn)故障。

MEA計(jì)劃的另一個(gè)方面是用電力電子設(shè)備和電子控制裝置取代液壓系統(tǒng)，以提高可靠性并降低維護(hù)成本。理想情況下，控制電子設(shè)備需要非?？拷鼒?zhí)行器，這再次產(chǎn)生高環(huán)境溫度環(huán)境。

汽車(chē)行業(yè)為高溫電子產(chǎn)品的使用提供了另一種新興應(yīng)用。與航空電子設(shè)備一樣，汽車(chē)行業(yè)正在從純機(jī)械和液壓系統(tǒng)轉(zhuǎn)向機(jī)電或機(jī)電一體化系統(tǒng)。4這需要將傳感器、信號(hào)調(diào)理和控制電子設(shè)備放置在更靠近熱源的位置。

最高溫度和暴露時(shí)間因車(chē)輛類型和車(chē)輛上電子設(shè)備的位置而異。例如，電氣和機(jī)械系統(tǒng)的更高集成度，例如變速器和變速器控制器的搭配，可以簡(jiǎn)化汽車(chē)子系統(tǒng)的制造、測(cè)試和維護(hù)。5電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)需要具有高能量密度的電力電子設(shè)備，用于轉(zhuǎn)換器、電機(jī)控制和充電電路，這些電路也與高溫有關(guān)。

使用超出數(shù)據(jù)手冊(cè)溫度規(guī)格的IC

過(guò)去，由于無(wú)法獲得高溫IC，高溫電子設(shè)計(jì)人員（例如石油和天然氣行業(yè)的設(shè)計(jì)人員）被迫使用遠(yuǎn)高于其額定規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)溫度元件。一些標(biāo)準(zhǔn)溫度的IC確實(shí)可以在高溫下工作，但使用它們是一項(xiàng)艱巨而冒險(xiǎn)的工作。例如，工程師必須確定潛在的候選者，全面測(cè)試和表征溫度范圍內(nèi)的性能，并鑒定器件在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)的可靠性。零件的性能和壽命通常會(huì)大幅下降。這是一個(gè)具有挑戰(zhàn)性、昂貴且耗時(shí)的過(guò)程：

合格的組件需要在帶有高溫印刷電路板（PCB）和夾具的實(shí)驗(yàn)室烘箱中進(jìn)行測(cè)試，至少在任務(wù)配置文件所需的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。由于可能會(huì)遇到新的故障機(jī)制，因此很難加速測(cè)試。測(cè)試期間的失敗需要再次迭代組件選擇和長(zhǎng)期測(cè)試，從而延遲項(xiàng)目時(shí)間表。

無(wú)法保證超出數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格的操作，并且性能可能因組件批次而異。特別是，IC工藝的變化可能導(dǎo)致極端溫度下的意外故障。

塑料封裝僅在約175°C的溫度下堅(jiān)固耐用，使用壽命會(huì)縮短。接近此溫度極限時(shí)，如果不進(jìn)行昂貴且耗時(shí)的實(shí)驗(yàn)室失效分析，就很難區(qū)分封裝相關(guān)故障和硅相關(guān)故障。陶瓷封裝中的標(biāo)準(zhǔn)組件很少。

通常，在惡劣環(huán)境中使用的組件不僅必須承受高溫，還必須承受劇烈的沖擊和振動(dòng)。許多工程師更喜歡使用帶引線的封裝，例如 DIP 或鷗翼式 SMT，因?yàn)樗鼈優(yōu)?PCB 提供了更堅(jiān)固的連接。這進(jìn)一步限制了器件的選擇，因?yàn)槠渌袠I(yè)趨向于更小的無(wú)引腳封裝。

可能需要以模具形式獲得零件，特別是如果組件僅采用塑料封裝。然后可以將芯片重新封裝在符合高溫標(biāo)準(zhǔn)的密封封裝或多芯片模塊中。然而，在少數(shù)可以在高溫下工作的組件中，較小的子集很容易作為測(cè)試骰子獲得。

由于時(shí)間限制和測(cè)試設(shè)備的限制，業(yè)界的工程師可能傾向于將器件的認(rèn)證限制在特定的應(yīng)用電路中，而不涵蓋所有關(guān)鍵器件參數(shù)，從而限制了其他項(xiàng)目的組件重用，而無(wú)需進(jìn)一步測(cè)試。

非數(shù)據(jù)手冊(cè)中的關(guān)鍵IC特性，例如金屬互連中的電遷移，可能導(dǎo)致高溫下失效。

專為高溫設(shè)計(jì)和認(rèn)證的IC

幸運(yùn)的是，最近的IC技術(shù)已經(jīng)生產(chǎn)出能夠在高溫下可靠運(yùn)行的器件，并保證數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)格。在工藝技術(shù)、電路設(shè)計(jì)和布局技術(shù)方面取得了進(jìn)步。

管理許多關(guān)鍵器件特性對(duì)于在高溫下成功實(shí)現(xiàn)高性能運(yùn)行至關(guān)重要。最重要和眾所周知的挑戰(zhàn)之一是基板漏電流的增加。其他一些是載流子遷移率降低，設(shè)備參數(shù)變化，例如VT、β和V坐，增加金屬互連的電遷移，并降低介電擊穿強(qiáng)度。6雖然標(biāo)準(zhǔn)硅的工作溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)125°C的軍用要求，7標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中的泄漏每升高10°C就會(huì)翻倍，這使得許多精密應(yīng)用無(wú)法接受。

溝槽隔離、絕緣體上硅 （SOI） 和標(biāo)準(zhǔn)硅工藝的其他變體大大減少了泄漏，并實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)高于 200°C 的高性能操作。 圖5顯示了SOI雙極性工藝如何減小泄漏面積。寬帶隙材料，如碳化硅（SiC），進(jìn)一步提高了標(biāo)準(zhǔn);碳化硅IC在實(shí)驗(yàn)室研究中的工作溫度高達(dá)600°C。然而，SiC是一種新興的工藝技術(shù)，目前只有電源開(kāi)關(guān)等簡(jiǎn)單器件才能上市。

圖5.比較了體硅和SOI中的結(jié)泄漏機(jī)制。

儀表放大器：儀表放大器在井下鉆井應(yīng)用中需要高精度，以在通常存在的嘈雜環(huán)境中放大非常微弱的信號(hào)。這種專用放大器類型通常是測(cè)量前端的第一個(gè)組件，因此其性能對(duì)整個(gè)信號(hào)鏈的性能至關(guān)重要。

ADI公司的開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)從一開(kāi)始就將AD8229儀表放大器作為高溫工作目標(biāo)，并為此從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)。為了滿足其獨(dú)特的性能要求，專有的SOI雙極工藝是首選技術(shù)。設(shè)計(jì)人員實(shí)施了特殊的電路技術(shù)，以保證在基極-發(fā)射極電壓和正向電流增益等各種器件參數(shù)下工作。

IC布局也會(huì)嚴(yán)重影響AD8229的性能和可靠性。為了在整個(gè)溫度范圍內(nèi)保持低失調(diào)和高CMRR，該布局補(bǔ)償了互連和溫度系數(shù)的變化。此外，對(duì)關(guān)鍵部分的電流密度進(jìn)行仔細(xì)分析，減輕了電遷移的影響，有助于提高極端條件下的可靠性。同樣，設(shè)計(jì)人員預(yù)測(cè)了故障條件，以防止過(guò)早擊穿。

穩(wěn)健的工藝、電路設(shè)計(jì)和布局技術(shù)的結(jié)合使該器件能夠滿足整個(gè)溫度范圍內(nèi)最嚴(yán)格的精度和可靠性要求。

打包注意事項(xiàng)

一旦高溫功能硅拿到手，這場(chǎng)戰(zhàn)斗只贏了一半。封裝芯片，然后將封裝連接到PCB，在高溫下并非易事。許多因素會(huì)影響溫度下的封裝完整性（圖 6）。

圖6.IC封裝和安裝的元件。

芯片粘接材料將硅固定到封裝或基板上。許多經(jīng)驗(yàn)證可用于標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍的材料具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（TG），不適合高溫操作。需要特別注意匹配芯片、芯片連接和基板之間的熱膨脹系數(shù)（CTE），以便芯片在寬溫度跨度的循環(huán)中不會(huì)受到應(yīng)力或斷裂。即使是芯片上的輕微機(jī)械應(yīng)力也會(huì)導(dǎo)致電氣參數(shù)在精密應(yīng)用中變?yōu)椴豢山邮艿乃健?duì)于需要與封裝基板進(jìn)行熱和電氣連接的功率器件，可能需要金屬芯片粘接材料。

引線鍵合是一種通過(guò)將引線框架的金屬線連接到芯片表面上的鍵合焊盤(pán)來(lái)互連芯片和引腳的方法。在考慮高溫下的引線鍵合可靠性時(shí)，用于引線和鍵合焊盤(pán)金屬化的金屬的兼容性是主要問(wèn)題。與粘接金屬相容性差相關(guān)的故障是雙重的：邊界界面處的金屬間化合物（IMC）生長(zhǎng)，從而產(chǎn)生脆性鍵;和擴(kuò)散（柯肯德?tīng)栃?yīng)），在界面處產(chǎn)生空隙，削弱鍵的強(qiáng)度并增加其電阻。不幸的是，工業(yè)中最受歡迎的金屬組合之一 - 金線和鋁鍵合焊盤(pán)金屬化 - 在高溫下容易出現(xiàn)這些現(xiàn)象。圖7是金/鋁鍵合的部分，顯示了IMC生長(zhǎng)，在高溫下500小時(shí)后，IMC生長(zhǎng)會(huì)損害粘合完整性。

圖7.在195°C下500小時(shí)后金/鋁鍵。

圖8顯示了高溫下粘接失效后大量的金/鋁金屬間生長(zhǎng)和Kirkendall空隙。更糟糕的是，溴和氯等鹵素（有時(shí)存在于模塑料中）會(huì)在高溫下導(dǎo)致邊界界面腐蝕，從而加快失效時(shí)間（盡管幸運(yùn)的是，該行業(yè)正在轉(zhuǎn)向“綠色”無(wú)鹵模塑料）。因此，有強(qiáng)烈的動(dòng)機(jī)將相同的金屬用于鍵合線和鍵合焊盤(pán)（單金屬鍵合），以避免這些負(fù)面影響。如果無(wú)法做到這一點(diǎn)，工程師應(yīng)選擇IMC生長(zhǎng)和擴(kuò)散速率足夠慢的金屬，以便在所需的使用壽命內(nèi)保持可靠。

圖8.具有空隙的金屬間生長(zhǎng)。

圖9顯示了單金屬鍵在高溫下的魯棒性。在 195°C 下 3000 小時(shí)后，鍵合部分沒(méi)有顯示 IMC 生長(zhǎng)的跡象。

圖9.在195°C下3000小時(shí)后單金屬鍵。

IC封裝還必須承受惡劣環(huán)境施加的壓力。塑料封裝雖然是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但歷來(lái)只能額定溫度為150°C才能持續(xù)使用。隨著最近對(duì)高溫應(yīng)用的興趣，研究表明，該額定值可以擴(kuò)展到175°C，但持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)的不同，175°C是某些材料（如模塑料）超過(guò)玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的點(diǎn)。操作以上TG可能導(dǎo)致關(guān)鍵參數(shù)（如 CTE 和彎曲模量）發(fā)生重大機(jī)械變化，并導(dǎo)致熱應(yīng)變?cè)黾訉?dǎo)致的分層和開(kāi)裂等故障。

因此，密封陶瓷封裝是高溫應(yīng)用的首選。氣密密封為導(dǎo)致腐蝕的濕氣和污染物進(jìn)入提供了屏障。不幸的是，密封封裝通常比塑料封裝更大、更重、更昂貴。在極端溫度要求較低的應(yīng)用中（<175°C），塑料封裝可能是首選，以節(jié)省PCB面積，降低成本或提供更好的振動(dòng)合規(guī)性。對(duì)于需要密封封裝和高元件密度的系統(tǒng)，高溫多芯片模塊可能是合適的解決方案。但是，此解決方案要求已知良好的骰子可用。

還必須評(píng)估封裝引線配置和金屬化。表面貼裝元件完全取決于銅層和預(yù)浸料（預(yù)浸料）之間的粘合墊面積和粘合劑的質(zhì)量。另一方面，通孔DIP配置是業(yè)內(nèi)最成熟和最可靠的封裝之一，也提供了強(qiáng)大的沖擊和振動(dòng)性能。在極端情況下，可以通過(guò)彎曲電路板底部的引腳以將其“釘”到PCB上來(lái)進(jìn)一步提高連接強(qiáng)度，但通孔引腳排列不允許電路板底部的組件數(shù)量 - 這可能是井下儀器等應(yīng)用的主要問(wèn)題，這些應(yīng)用具有嚴(yán)格的空間限制。

在許多情況下，鷗翼式 SMT 引線配置是一種可行的替代方案，但在許多高溫環(huán)境中遇到的高沖擊和振動(dòng)條件下，無(wú)引線 SMT 可能不夠堅(jiān)固。使用SMT元件時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮其高度和質(zhì)量。高溫環(huán)氧樹(shù)脂的應(yīng)用將提高連接堅(jiān)固性，但會(huì)增加制造成本并限制維修能力。在所有情況下，鉛金屬化必須與高溫焊料兼容。

最受歡迎的標(biāo)準(zhǔn)焊料合金的熔點(diǎn)低于200°C。 然而，有一些現(xiàn)成的合金屬于“高熔點(diǎn)”（HMP）類別，熔點(diǎn)遠(yuǎn)高于250°C。 即使在這種情況下，任何受應(yīng)力的焊料的最高推薦工作溫度也比其熔點(diǎn)低約40°C。例如，5%錫，93.5%鉛和1.5%銀的標(biāo)準(zhǔn)HMP焊料合金成分的熔點(diǎn)為294°C，但建議僅在高達(dá)255°C的溫度下使用。9請(qǐng)注意，BGA（球柵陣列）封裝的焊球由工廠連接，可能不具有高熔點(diǎn)。

最后， PCB本身是潛在的故障來(lái)源.標(biāo)準(zhǔn)FR4在130°C至180°C的任何地方達(dá)到玻璃化轉(zhuǎn)變，具體取決于具體的成分。如果在此溫度以上使用（即使持續(xù)時(shí)間很短），它也會(huì)膨脹和分層。一個(gè)很好的經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的替代品是聚酰亞胺，與Kapton中使用的材料相同，它具有TG高達(dá) 250°C，具體取決于成分。然而， 聚酰亞胺具有非常高的吸濕性， 這可以通過(guò)各種機(jī)制迅速導(dǎo)致PCB失效， 因此控制水分暴露很重要.近年來(lái)，工業(yè)界推出了異國(guó)情調(diào)的層壓板，這些層壓板吸收的水分較少，在高溫下保持完整性。

驗(yàn)證、鑒定和測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室中驗(yàn)證高溫組件并非易事，因?yàn)樗枰こ處熃Y(jié)合前面提到的所有技術(shù)來(lái)測(cè)試極端溫度下的性能。除了在測(cè)試夾具的構(gòu)造中使用特殊材料外，測(cè)試工程師還必須小心操作環(huán)境箱，使系統(tǒng)能夠適應(yīng)所需的溫度變化。由于膨脹系數(shù)不匹配，快速的溫度變化會(huì)導(dǎo)致印刷電路板上的焊點(diǎn)損壞、翹曲，并最終導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)早失效。業(yè)界采用的準(zhǔn)則是將溫度變化率保持在每分鐘3°C以下。

為了加速壽命和可靠性的測(cè)試，電子元件的公認(rèn)做法是在高溫下進(jìn)行測(cè)試。這引入了一個(gè)加速度因子，α，由阿倫尼烏斯方程定義：

哪里E一個(gè)是活化能，k是玻爾茲曼常數(shù)，T一個(gè)是使用過(guò)程中的預(yù)期工作溫度，以及Ts是應(yīng)力溫度。雖然加速老化適用于標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，但將應(yīng)力溫度提高到遠(yuǎn)高于額定溫度可能會(huì)引入新的失效機(jī)制并產(chǎn)生不準(zhǔn)確的結(jié)果。因此，為了保證AD8229等高溫器件的使用壽命可靠性，高溫工作壽命測(cè)試（HTOL）在最高額定溫度210°C下運(yùn)行1000小時(shí)（約6周）。對(duì)于較低的溫度，可以使用圖11所示的加速度關(guān)系來(lái)預(yù)測(cè)預(yù)期壽命。

圖 11.AD8229壽命與工作溫度的關(guān)系，1000小時(shí)@210°C。11

對(duì)高溫IC進(jìn)行可靠表征還存在其他障礙。例如，所使用的測(cè)試和測(cè)量系統(tǒng)的可靠性取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)。這意味著每個(gè)長(zhǎng)時(shí)間暴露在高溫下的元件本質(zhì)上必須比IC本身更可靠。不可靠的系統(tǒng)將產(chǎn)生不代表組件長(zhǎng)期可靠性的數(shù)據(jù)，并將導(dǎo)致昂貴且耗時(shí)的過(guò)程重復(fù)。提高成功率的統(tǒng)計(jì)技術(shù)包括精確地超大測(cè)試樣本，以增加非由DUT（被測(cè)設(shè)備）故障引起的過(guò)早系統(tǒng)故障的誤差幅度。

另一個(gè)障礙是保證極端性能參數(shù)所需的生產(chǎn)步驟，例如測(cè)試、探測(cè)和修整。開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)需要針對(duì)高溫產(chǎn)品定制這些步驟。

高溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

在高溫下工作的電路設(shè)計(jì)人員必須考慮IC參數(shù)和無(wú)源元件在寬溫度范圍內(nèi)的變化，密切關(guān)注它們?cè)跇O端溫度下的行為，以確保電路在目標(biāo)限值內(nèi)運(yùn)行。示例包括失調(diào)和輸入偏置漂移、增益誤差、溫度系數(shù)、額定電壓、功耗、電路板泄漏以及其他分立器件（如ESD和過(guò)壓保護(hù)器件中使用的器件）的固有泄漏。例如，在高源阻抗與放大器輸入端子串聯(lián)的情況下，不需要的漏電流（放大器自身的偏置電流除外）會(huì)產(chǎn)生失調(diào)，從而導(dǎo)致偏置電流測(cè)量誤差（圖 12）。

圖 12.偏置和泄漏如何引起失調(diào)誤差。

在所有情況下，高溫操作都會(huì)加劇由助焊劑、灰塵和冷凝等污染物引入的電路板泄漏。適當(dāng)?shù)牟季挚梢酝ㄟ^(guò)在敏感節(jié)點(diǎn)之間提供足夠的間距來(lái)幫助最大限度地減少這些影響，例如將放大器輸入與嘈雜的電源軌分開(kāi)。

運(yùn)算放大器和儀表放大器的標(biāo)準(zhǔn)引腳排列將其中一個(gè)輸入端子放在負(fù)電源端子旁邊。這大大降低了對(duì)組裝后PCB助焊劑殘留物的容忍度，這些殘留物會(huì)導(dǎo)致泄漏增加。為了減少泄漏并提高高頻CMRR，AD8229采用了與ADI公司制造的其他精密儀表放大器相同的高性能引腳排列（圖13）。

圖 13.修改器件引腳排列有助于最大限度地減少寄生泄漏。

二極管、瞬態(tài)電壓抑制器（TVS）和其他半導(dǎo)體器件的泄漏隨溫度呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，在許多情況下，可能比放大器的輸入偏置電流大許多數(shù)量級(jí)。在這種情況下，設(shè)計(jì)人員必須確保極端溫度下的泄漏不會(huì)降低電路規(guī)格超過(guò)所需限值。

如今，有幾種無(wú)源元件可用于高溫操作。電阻器和電容器在任何電路設(shè)計(jì)中都無(wú)處不在。表1中顯示了一些市售選項(xiàng)。

表 1.高溫電阻器和電容器的示例

請(qǐng)注意，如果表面貼裝元件的主體緊貼印刷電路板，則端子之間容易發(fā)生泄漏，因?yàn)樵诮M裝過(guò)程之后，助焊劑殘留物往往會(huì)留在下面。這些殘留物會(huì)吸濕，在高溫下會(huì)增加其導(dǎo)電性。在這種情況下，表面貼裝元件上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)寄生電阻（具有相當(dāng)不可預(yù)測(cè)的行為），這可能會(huì)引入額外的電路誤差。為了克服這個(gè)問(wèn)題，請(qǐng)考慮在電路中特別敏感的區(qū)域選擇更大的芯片尺寸、鷗翼引線成型或通孔元件。最終，通過(guò)在組裝過(guò)程結(jié)束時(shí)添加有效的電路板清洗步驟（通常使用超聲波或皂化劑），幾乎可以消除這種不需要的殘留物。

在惡劣環(huán)境中運(yùn)行的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須牢記熱管理。即使對(duì)于專為高環(huán)境溫度設(shè)計(jì)的組件，也要考慮與其功耗相關(guān)的自發(fā)熱。對(duì)于AD8229，假設(shè)輸出電流負(fù)載較小，則保證在高達(dá)210°C的溫度下工作。驅(qū)動(dòng)重負(fù)載或永久性故障條件（如輸出短路）引起的額外功耗將使結(jié)溫超過(guò)器件的最大額定值，從而大大縮短放大器的工作壽命。請(qǐng)務(wù)必遵循推薦的散熱指南，并注意相鄰的熱源，例如功率調(diào)節(jié)器。

即使是高溫電阻器，在 70°C 以上也會(huì)降低額定功率。 特別注意預(yù)期工作溫度下的電阻溫度額定值，特別是如果它們會(huì)消耗大量功率。例如，如果額定溫度為200°C的電阻器在190°C的環(huán)境溫度下工作，但如果其因功耗而自發(fā)熱為20°C，則其將超過(guò)其額定溫度。

雖然許多無(wú)源元件可以承受高溫，但它們的結(jié)構(gòu)可能不適合長(zhǎng)期暴露在可能將高溫與沖擊和振動(dòng)相結(jié)合的環(huán)境中。此外，高溫電阻器和電容器的制造商規(guī)定了給定溫度下的工作壽命。匹配所有組件的使用壽命規(guī)格對(duì)于獲得高可靠性系統(tǒng)非常重要。最后，不要忽視許多額定高溫組件可能需要額外降額才能實(shí)現(xiàn)持久運(yùn)行。

案例研究：繪制烤箱中的熱梯度圖

AD8229和ADXL206（雙軸加速度計(jì)）在便攜式且使用安全的高溫環(huán)境中工作，演示了高溫應(yīng)用中的兩種合適器件。該演示使用帶有旋轉(zhuǎn)組件的小型電烤箱，該組件上安裝高溫 PCB 并連續(xù)運(yùn)行。烤箱內(nèi)的加熱元件位于頂部附近。這種布置在烤箱體積內(nèi)產(chǎn)生了較大的溫度梯度。旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)適用于可以結(jié)合溫度和位置測(cè)量的實(shí)驗(yàn)。

AD8229調(diào)理來(lái)自K型熱電偶的信號(hào)，K型熱電偶在烘箱內(nèi)不斷旋轉(zhuǎn)。熱電偶探頭延伸到PCB外約6英寸，可以更好地測(cè)量烘箱溫度的變化。同時(shí)，ADXL206測(cè)量旋轉(zhuǎn)角度。三個(gè)信號(hào)（溫度梯度、x 加速度和 y 加速度）通過(guò)額定用于高溫操作的滑環(huán)（旋轉(zhuǎn)連接器）發(fā)送?；h(huán)保持與非旋轉(zhuǎn)線束的連接，線束連接到烤箱外部的數(shù)據(jù)采集板。由于“冷端”位于烘箱內(nèi)部，第二個(gè)熱電偶提供內(nèi)部溫度的靜態(tài)參考。AD8495熱電偶放大器（也在烤箱外）使用其集成的冷端補(bǔ)償來(lái)調(diào)理附加熱電偶的信號(hào)。

烤箱內(nèi)的電路板位于旋轉(zhuǎn)組件的中心附近，其溫度約為 175°C。 該板的結(jié)構(gòu)使用聚酰亞胺材料。銅層上的軌道使用0.020“的最小寬度，以提高銅對(duì)預(yù)浸料的附著力（圖14）。組件使用標(biāo)準(zhǔn)HMP焊料（5/93.5/1.5 Sn/Pb/Ag）連接，并使用特氟龍涂層電線連接電路板和滑環(huán)。

圖 14.安裝元件的高溫印刷電路板.

所有精密組件均采用通孔安裝。25 ppm/°C金屬膜電阻設(shè)置儀表放大器的增益。放大器以高增益工作，因此從放大器到增益電阻的走線長(zhǎng)度盡可能短，以最大限度地減小銅電阻（4000 ppm/°C TC）。熱電偶和放大器之間的接口位于電路板的中心，以便在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中保持恒定的溫度。熱電偶端子盡可能靠近，以消除結(jié)處不需要的熱電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)。

高溫鉭電容器和C0G/NP0電容器對(duì)電源進(jìn)行去耦，并用作加速度計(jì)輸出的濾波器。

計(jì)算機(jī)處理來(lái)自四個(gè)不同來(lái)源的數(shù)據(jù)：旋轉(zhuǎn)角度（矩形 x 和 y 分量）、內(nèi)部溫度梯度和參考溫度。所有這些測(cè)量值組合在一起以繪制溫度梯度圖（圖 15）。分析結(jié)果表明，溫度變化可寬至25°C。 正如預(yù)期的那樣，最高溫度在加熱元件附近，加熱元件位于烤箱后壁頂部附近。由于自然對(duì)流，烤箱的頂部是烤箱內(nèi)第二熱的區(qū)域。當(dāng)熱電偶與加熱元件相對(duì)時(shí)，檢測(cè)到最低溫度。

該實(shí)驗(yàn)以一種簡(jiǎn)單的方式表明，集成到測(cè)井系統(tǒng)中的高溫組件如何在惡劣環(huán)境中運(yùn)行時(shí)提取有價(jià)值的信息。

圖 15.高溫演示圖。

結(jié)論

許多應(yīng)用，無(wú)論是已建立的還是新興的，都需要在非常高的溫度環(huán)境中工作的組件。過(guò)去，由于缺乏針對(duì)此類惡劣環(huán)境的額定設(shè)備，因此可靠地設(shè)計(jì)此類系統(tǒng)具有挑戰(zhàn)性?，F(xiàn)在，設(shè)計(jì)并符合在這些環(huán)境中運(yùn)行的IC和支持組件已經(jīng)可用，從而節(jié)省了工程時(shí)間并降低了故障風(fēng)險(xiǎn)。利用這項(xiàng)新技術(shù)并遵循高溫設(shè)計(jì)實(shí)踐將使高性能系統(tǒng)能夠在比以前可行的更極端的環(huán)境中可靠運(yùn)行。

審核編輯：郭婷