作者：Jeff Watson and Gustavo Castro

許多行業都在要求電子產品能夠在惡劣的環境中可靠運行，包括極高的溫度。傳統上，工程師在設計必須在正常溫度范圍之外運行的電子設備時，必須依靠主動或被動冷卻，但在某些應用中，冷卻可能是不可能的，或者電子設備可能更適合高溫運行以提高系統可靠性或降低成本。這種選擇帶來了影響電子系統許多方面的挑戰，包括硅、封裝、鑒定方法和設計技術。

高溫應用

高溫電子設備（>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。在此應用中，工作溫度是井地下深度的函數。在世界范圍內，典型的地熱梯度為25°C/km深度，但在某些地區，它更大。

過去，鉆井作業在150°C至175°C的溫度下達到最高水平，但易于獲取的自然資源儲量下降，加上技術的進步，促使該行業鉆探得更深，以及世界上地熱梯度較高的地區。這些敵對井中的溫度可能超過200°C，壓力大于25 kpsi。在這種惡劣的環境中，主動冷卻是不切實際的，當加熱不限于電子設備時，被動冷卻技術是無效的。

高溫電子設備在井下行業的應用可能相當復雜。首先，在鉆井作業期間，電子設備和傳感器操縱鉆井設備并監控其健康狀況。隨著定向鉆井技術的出現，高性能地質導向儀器必須將鉆孔位置引導到精確的地質靶區。

在鉆探時或之后不久，復雜的井下儀器會獲取有關周圍地質構造的數據。這種做法被稱為測井，測量電阻率、放射性、聲學傳播時間、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/碳氫化合物飽和度。這些數據使地質學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域實際提取足夠數量的碳氫化合物。

最后，在完成和生產階段，電子系統監控壓力、溫度、振動和多相流，并主動控制閥門。滿足這些需求需要高性能元件的完整信號鏈（圖 2）。系統可靠性至關重要，因為設備故障導致的停機成本可能相當嚴重。在地下數英里的鉆柱上運行的故障電子組件可能需要一天以上的時間來檢索和更換 - 而操作復雜的深水海上鉆井平臺的費用約為每天100萬美元！

圖2.簡化的井下測井儀表信號鏈。

其他用戶：除了石油和天然氣行業，其他應用，如航空電子設備，正在出現高溫電子設備。航空業現在越來越傾向于“更多電動飛機”（MEA）。該計劃的一部分旨在用分布式控制系統取代傳統的集中式發動機控制器。1集中控制需要具有數百根導線和多個連接器接口的大型重型線束。轉向分布式控制方案使發動機控制裝置更靠近發動機，將互連的復雜性降低了 10 倍，節省了數百磅的飛機重量，2并提高系統的可靠性（部分估計為連接器引腳數的函數（根據 MIL-HDBK-217F））。

然而，代價是靠近發動機的環境溫度范圍為 –55°C 至 +200°C。 雖然電子設備可以在此應用中冷卻，但出于兩個原因，這是不可取的：冷卻會增加飛機的成本和重量，最重要的是，冷卻系統的故障可能導致控制關鍵系統的電子設備出現故障。

MEA計劃的另一個方面是用電力電子設備和電子控制裝置取代液壓系統，以提高可靠性并降低維護成本。理想情況下，控制電子設備需要非?？拷鼒绦衅?，這再次產生高環境溫度環境。

汽車行業為高溫電子產品的使用提供了另一種新興應用。與航空電子設備一樣，汽車行業正在從純機械和液壓系統轉向機電或機電一體化系統。4這需要將傳感器、信號調理和控制電子設備放置在更靠近熱源的位置。

最高溫度和暴露時間因車輛類型和車輛上電子設備的位置而異。例如，電氣和機械系統的更高集成度，例如變速器和變速器控制器的搭配，可以簡化汽車子系統的制造、測試和維護。5電動汽車和混合動力汽車需要具有高能量密度的電力電子設備，用于轉換器、電機控制和充電電路，這些電路也與高溫有關。

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，高溫電子設計人員（例如石油和天然氣行業的設計人員）被迫使用遠高于其額定規格的標準溫度元件。一些標準溫度的IC確實可以在高溫下工作，但使用它們是一項艱巨而冒險的工作。例如，工程師必須確定潛在的候選者，全面測試和表征溫度范圍內的性能，并鑒定器件在很長一段時間內的可靠性。零件的性能和壽命通常會大幅下降。這是一個具有挑戰性、昂貴且耗時的過程：

合格的組件需要在帶有高溫印刷電路板（PCB）和夾具的實驗室烘箱中進行測試，至少在任務配置文件所需的時間內進行測試。由于可能會遇到新的故障機制，因此很難加速測試。測試期間的失敗需要再次迭代組件選擇和長期測試，從而延遲項目時間表。

無法保證超出數據手冊規格的操作，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的溫度下堅固耐用，使用壽命會縮短。接近此溫度極限時，如果不進行昂貴且耗時的實驗室失效分析，就很難區分封裝相關故障和硅相關故障。陶瓷封裝中的標準組件很少。

通常，在惡劣環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。許多工程師更喜歡使用帶引線的封裝，例如 DIP 或鷗翼式 SMT，因為它們為 PCB 提供了更堅固的連接。這進一步限制了器件的選擇，因為其他行業趨向于更小的無引腳封裝。

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準的密封封裝或多芯片模塊中。然而，在少數可以在高溫下工作的組件中，較小的子集很容易作為測試骰子獲得。

由于時間限制和測試設備的限制，業界的工程師可能傾向于將器件的認證限制在特定的應用電路中，而不涵蓋所有關鍵器件參數，從而限制了其他項目的組件重用，而無需進一步測試。

非數據手冊中的關鍵IC特性，例如金屬互連中的電遷移，可能導致高溫下失效。

專為高溫設計和認證的IC

幸運的是，最近的IC技術已經生產出能夠在高溫下可靠運行的器件，并保證數據手冊規格。在工藝技術、電路設計和布局技術方面取得了進步。

管理許多關鍵器件特性對于在高溫下成功實現高性能運行至關重要。最重要和眾所周知的挑戰之一是基板漏電流的增加。其他一些是載流子遷移率降低，設備參數變化，例如VT、β和V坐，增加金屬互連的電遷移，并降低介電擊穿強度。6雖然標準硅的工作溫度遠遠超過125°C的軍用要求，7標準硅工藝中的泄漏每升高10°C就會翻倍，這使得許多精密應用無法接受。

溝槽隔離、絕緣體上硅 （SOI） 和標準硅工藝的其他變體大大減少了泄漏，并實現了遠高于 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），進一步提高了標準;碳化硅IC在實驗室研究中的工作溫度高達600°C。然而，SiC是一種新興的工藝技術，目前只有電源開關等簡單器件才能上市。

圖5.比較了體硅和SOI中的結泄漏機制。

儀表放大器：儀表放大器在井下鉆井應用中需要高精度，以在通常存在的嘈雜環境中放大非常微弱的信號。這種專用放大器類型通常是測量前端的第一個組件，因此其性能對整個信號鏈的性能至關重要。

ADI公司的開發團隊從一開始就將AD8229儀表放大器作為高溫工作目標，并為此從頭開始設計。為了滿足其獨特的性能要求，專有的SOI雙極工藝是首選技術。設計人員實施了特殊的電路技術，以保證在基極-發射極電壓和正向電流增益等各種器件參數下工作。

IC布局也會嚴重影響AD8229的性能和可靠性。為了在整個溫度范圍內保持低失調和高CMRR，該布局補償了互連和溫度系數的變化。此外，對關鍵部分的電流密度進行仔細分析，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，設計人員預測了故障條件，以防止過早擊穿。

穩健的工藝、電路設計和布局技術的結合使該器件能夠滿足整個溫度范圍內最嚴格的精度和可靠性要求。

打包注意事項

一旦高溫功能硅拿到手，這場戰斗只贏了一半。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。許多經驗證可用于標準溫度范圍的材料具有較低的玻璃化轉變溫度（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（CTE），以便芯片在寬溫度跨度的循環中不會受到應力或斷裂。即使是芯片上的輕微機械應力也會導致電氣參數在精密應用中變為不可接受的水平。對于需要與封裝基板進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將引線框架的金屬線連接到芯片表面上的鍵合焊盤來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，用于引線和鍵合焊盤金屬化的金屬的兼容性是主要問題。與粘接金屬相容性差相關的故障是雙重的：邊界界面處的金屬間化合物（IMC）生長，從而產生脆性鍵;和擴散（柯肯德爾效應），在界面處產生空隙，削弱鍵的強度并增加其電阻。不幸的是，工業中最受歡迎的金屬組合之一 - 金線和鋁鍵合焊盤金屬化 - 在高溫下容易出現這些現象。圖7是金/鋁鍵合的部分，顯示了IMC生長，在高溫下500小時后，IMC生長會損害粘合完整性。

圖7.在195°C下500小時后金/鋁鍵。

圖8顯示了高溫下粘接失效后大量的金/鋁金屬間生長和Kirkendall空隙。更糟糕的是，溴和氯等鹵素（有時存在于模塑料中）會在高溫下導致邊界界面腐蝕，從而加快失效時間（盡管幸運的是，該行業正在轉向“綠色”無鹵模塑料）。因此，有強烈的動機將相同的金屬用于鍵合線和鍵合焊盤（單金屬鍵合），以避免這些負面影響。如果無法做到這一點，工程師應選擇IMC生長和擴散速率足夠慢的金屬，以便在所需的使用壽命內保持可靠。

圖8.具有空隙的金屬間生長。

圖9顯示了單金屬鍵在高溫下的魯棒性。在 195°C 下 3000 小時后，鍵合部分沒有顯示 IMC 生長的跡象。

圖9.在195°C下3000小時后單金屬鍵。

IC封裝還必須承受惡劣環境施加的壓力。塑料封裝雖然是行業標準，但歷來只能額定溫度為150°C才能持續使用。隨著最近對高溫應用的興趣，研究表明，該額定值可以擴展到175°C，但持續時間相對較短。根據封裝結構的不同，175°C是某些材料（如模塑料）超過玻璃化轉變溫度的點。操作以上TG可能導致關鍵參數（如 CTE 和彎曲模量）發生重大機械變化，并導致熱應變增加導致的分層和開裂等故障。

因此，密封陶瓷封裝是高溫應用的首選。氣密密封為導致腐蝕的濕氣和污染物進入提供了屏障。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用中（<175°C），塑料封裝可能是首選，以節省PCB面積，降低成本或提供更好的振動合規性。對于需要密封封裝和高元件密度的系統，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浸料（預浸料）之間的粘合墊面積和粘合劑的質量。另一方面，通孔DIP配置是業內最成熟和最可靠的封裝之一，也提供了強大的沖擊和振動性能。在極端情況下，可以通過彎曲電路板底部的引腳以將其“釘”到PCB上來進一步提高連接強度，但通孔引腳排列不允許電路板底部的組件數量 - 這可能是井下儀器等應用的主要問題，這些應用具有嚴格的空間限制。

在許多情況下，鷗翼式 SMT 引線配置是一種可行的替代方案，但在許多高溫環境中遇到的高沖擊和振動條件下，無引線 SMT 可能不夠堅固。使用SMT元件時，設計人員應考慮其高度和質量。高溫環氧樹脂的應用將提高連接堅固性，但會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。

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

最后， PCB本身是潛在的故障來源.標準FR4在130°C至180°C的任何地方達到玻璃化轉變，具體取決于具體的成分。如果在此溫度以上使用（即使持續時間很短），它也會膨脹和分層。一個很好的經過驗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 250°C，具體取決于成分。然而， 聚酰亞胺具有非常高的吸濕性， 這可以通過各種機制迅速導致PCB失效， 因此控制水分暴露很重要.近年來，工業界推出了異國情調的層壓板，這些層壓板吸收的水分較少，在高溫下保持完整性。

驗證、鑒定和測試

在實驗室中驗證高溫組件并非易事，因為它需要工程師結合前面提到的所有技術來測試極端溫度下的性能。除了在測試夾具的構造中使用特殊材料外，測試工程師還必須小心操作環境箱，使系統能夠適應所需的溫度變化。由于膨脹系數不匹配，快速的溫度變化會導致印刷電路板上的焊點損壞、翹曲，并最終導致系統過早失效。業界采用的準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試，電子元件的公認做法是在高溫下進行測試。這引入了一個加速度因子，α，由阿倫尼烏斯方程定義：

哪里E一個是活化能，k是玻爾茲曼常數，T一個是使用過程中的預期工作溫度，以及Ts是應力溫度。雖然加速老化適用于標準產品，但將應力溫度提高到遠高于額定溫度可能會引入新的失效機制并產生不準確的結果。因此，為了保證AD8229等高溫器件的使用壽命可靠性，高溫工作壽命測試（HTOL）在最高額定溫度210°C下運行1000小時（約6周）。對于較低的溫度，可以使用圖11所示的加速度關系來預測預期壽命。

圖 11.AD8229壽命與工作溫度的關系，1000小時@210°C。11

對高溫IC進行可靠表征還存在其他障礙。例如，所使用的測試和測量系統的可靠性取決于其最薄弱的環節。這意味著每個長時間暴露在高溫下的元件本質上必須比IC本身更可靠。不可靠的系統將產生不代表組件長期可靠性的數據，并將導致昂貴且耗時的過程重復。提高成功率的統計技術包括精確地超大測試樣本，以增加非由DUT（被測設備）故障引起的過早系統故障的誤差幅度。

另一個障礙是保證極端性能參數所需的生產步驟，例如測試、探測和修整。開發團隊需要針對高溫產品定制這些步驟。

高溫系統設計注意事項

在高溫下工作的電路設計人員必須考慮IC參數和無源元件在寬溫度范圍內的變化，密切關注它們在極端溫度下的行為，以確保電路在目標限值內運行。示例包括失調和輸入偏置漂移、增益誤差、溫度系數、額定電壓、功耗、電路板泄漏以及其他分立器件（如ESD和過壓保護器件中使用的器件）的固有泄漏。例如，在高源阻抗與放大器輸入端子串聯的情況下，不需要的漏電流（放大器自身的偏置電流除外）會產生失調，從而導致偏置電流測量誤差（圖 12）。

圖 12.偏置和泄漏如何引起失調誤差。

在所有情況下，高溫操作都會加劇由助焊劑、灰塵和冷凝等污染物引入的電路板泄漏。適當的布局可以通過在敏感節點之間提供足夠的間距來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。

運算放大器和儀表放大器的標準引腳排列將其中一個輸入端子放在負電源端子旁邊。這大大降低了對組裝后PCB助焊劑殘留物的容忍度，這些殘留物會導致泄漏增加。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、瞬態電壓抑制器（TVS）和其他半導體器件的泄漏隨溫度呈指數級增長，在許多情況下，可能比放大器的輸入偏置電流大許多數量級。在這種情況下，設計人員必須確保極端溫度下的泄漏不會降低電路規格超過所需限值。

如今，有幾種無源元件可用于高溫操作。電阻器和電容器在任何電路設計中都無處不在。表1中顯示了一些市售選項。

表 1.高溫電阻器和電容器的示例

電容器	最高額定溫度	評論
單氯鋁（陶瓷） C0G/NP0	200°C	低值、低熱電偶，提供 SMT 或通孔
MLCC （陶瓷） X7R	200°C	TC高于C0G/NP0，余氧量更低
電解濕鉭	200°C	高電容值，主要是通孔
電解鉭	175°C	高電容值，提供 SMT 封裝
電阻	最高額定溫度	評論
繞線	275°C	高浪涌能力，穩定
金屬膜	230°C	高精度
金屬氧化物	230°C	通用
厚膜	275°C	通用，寬電阻范圍
薄膜	215°C	緊湊、低 TC、高穩定性，提供電阻陣列
陶瓷組合物	220°C	碳成分的高溫替代品

請注意，如果表面貼裝元件的主體緊貼印刷電路板，則端子之間容易發生泄漏，因為在組裝過程之后，助焊劑殘留物往往會留在下面。這些殘留物會吸濕，在高溫下會增加其導電性。在這種情況下，表面貼裝元件上會出現一個寄生電阻（具有相當不可預測的行為），這可能會引入額外的電路誤差。為了克服這個問題，請考慮在電路中特別敏感的區域選擇更大的芯片尺寸、鷗翼引線成型或通孔元件。最終，通過在組裝過程結束時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。

在惡劣環境中運行的系統設計人員必須牢記熱管理。即使對于專為高環境溫度設計的組件，也要考慮與其功耗相關的自發熱。對于AD8229，假設輸出電流負載較小，則保證在高達210°C的溫度下工作。驅動重負載或永久性故障條件（如輸出短路）引起的額外功耗將使結溫超過器件的最大額定值，從而大大縮短放大器的工作壽命。請務必遵循推薦的散熱指南，并注意相鄰的熱源，例如功率調節器。

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

雖然許多無源元件可以承受高溫，但它們的結構可能不適合長期暴露在可能將高溫與沖擊和振動相結合的環境中。此外，高溫電阻器和電容器的制造商規定了給定溫度下的工作壽命。匹配所有組件的使用壽命規格對于獲得高可靠性系統非常重要。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現持久運行。

案例研究：繪制烤箱中的熱梯度圖

AD8229和ADXL206（雙軸加速度計）在便攜式且使用安全的高溫環境中工作，演示了高溫應用中的兩種合適器件。該演示使用帶有旋轉組件的小型電烤箱，該組件上安裝高溫 PCB 并連續運行。烤箱內的加熱元件位于頂部附近。這種布置在烤箱體積內產生了較大的溫度梯度。旋轉機構適用于可以結合溫度和位置測量的實驗。

AD8229調理來自K型熱電偶的信號，K型熱電偶在烘箱內不斷旋轉。熱電偶探頭延伸到PCB外約6英寸，可以更好地測量烘箱溫度的變化。同時，ADXL206測量旋轉角度。三個信號（溫度梯度、x 加速度和 y 加速度）通過額定用于高溫操作的滑環（旋轉連接器）發送?；h保持與非旋轉線束的連接，線束連接到烤箱外部的數據采集板。由于“冷端”位于烘箱內部，第二個熱電偶提供內部溫度的靜態參考。AD8495熱電偶放大器（也在烤箱外）使用其集成的冷端補償來調理附加熱電偶的信號。

烤箱內的電路板位于旋轉組件的中心附近，其溫度約為 175°C。 該板的結構使用聚酰亞胺材料。銅層上的軌道使用0.020“的最小寬度，以提高銅對預浸料的附著力（圖14）。組件使用標準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。

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，以便在旋轉過程中保持恒定的溫度。熱電偶端子盡可能靠近，以消除結處不需要的熱電動勢效應。

高溫鉭電容器和C0G/NP0電容器對電源進行去耦，并用作加速度計輸出的濾波器。

計算機處理來自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。所有這些測量值組合在一起以繪制溫度梯度圖（圖 15）。分析結果表明，溫度變化可寬至25°C。 正如預期的那樣，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。由于自然對流，烤箱的頂部是烤箱內第二熱的區域。當熱電偶與加熱元件相對時，檢測到最低溫度。

該實驗以一種簡單的方式表明，集成到測井系統中的高溫組件如何在惡劣環境中運行時提取有價值的信息。

圖 15.高溫演示圖。

結論

許多應用，無論是已建立的還是新興的，都需要在非常高的溫度環境中工作的組件。過去，由于缺乏針對此類惡劣環境的額定設備，因此可靠地設計此類系統具有挑戰性?，F在，設計并符合在這些環境中運行的IC和支持組件已經可用，從而節省了工程時間并降低了故障風險。利用這項新技術并遵循高溫設計實踐將使高性能系統能夠在比以前可行的更極端的環境中可靠運行。

審核編輯：郭婷