熱油試驗箱高溫電子設備對設計和可靠性的影響

熱油試驗箱 技術參數:

許多行業都需要能夠在極端高溫等惡劣環境下可靠工作的電子設備。依照傳統做法，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，可提升系統可靠性或降低成本。這便提出了影響電子系統方方面面的諸多挑戰，包括硅、封裝、認證方法和設計技術。
高溫應用

*古老以及目前*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。在該應用中，工作溫度和地下井深成函數關系。全球地熱梯度一般為25°C/km深度，某些地區更大。
過去，鉆探作業Highest在150°C至175°C的溫度范圍內進行，然而，由于地下易鉆探自然資源儲備的減少和技術進步，行業的鉆探深度開始加深，同時也開始在地熱梯度較高的地區進行鉆探。這些惡劣的地下井溫度超過200°C，壓力超過25 kpsi。主動冷卻技術在這種惡劣環境下不太現實，被動冷卻技術在發熱不限于電子設備時也不太有效。

地下鉆探行業中高溫電子設備的應用十分復雜。首先，在鉆探作業過程中，電子設備和傳感器會引導鉆探設備并監控其狀態是否正常。隨著定向鉆探技術的出現，高溫地質導向儀器必須將鉆孔位置**引導至地質目標。

鉆孔時或鉆孔剛結束時，精密的井下儀器會收集周圍的地質構造數據。這種做法稱為測井可以測量電阻率、放射性、聲音傳播時間、磁共振和其他屬性，以便確定地質構造特性，如巖性、孔隙度、滲透率，以及水/烴飽和度。通過這些數據，地質學家可以從構造上對巖石類型進行判斷，還可以判斷存在的流體類型及其位置，以及含流體區域能否提取出足夠數量的碳氫化合物。

*后，在完成和生產階段，電子系統會監控壓力、溫度、振動和多相位流動，并主動控制閥門。要滿足這些需求，需要有一個完整的高性能組件信號鏈。系統可靠性是*重要的因素，因為設備故障會造成極高的停機成本。在地下數英里作業的鉆柱如果出現電子組件故障，需要**以上的時間來檢修及更換，操作復雜深水海上鉆井平臺每天大約需要花費100萬美元！
其他應用領域:除了石油和天然氣行業外，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，航空業正日益向“多電子飛機”(MEA)的趨勢發展。這一方案一方面是為了用分布式控制系統取代傳統集中式發動機控制器。1集中式控制需要采用由數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動機控制系統放置在離發動機較近的地方，將互連的復雜性降低了10倍，使飛機的重量減輕了數百磅，2同時增加了系統可靠性（估計值在某種程度上與連接器引腳數成函數關系（根據MIL-HDBK-217F計算）。
但是，代價是發動機附近的環境溫度會上升（–55°C至+200°C）。雖然該應用中電子設備可以進行冷卻，但依然會產生不利影響，原因有二：首先，冷卻會增加飛機的成本和重量，其次（也是*重要的一點），冷卻系統故障會導致控制關鍵系統的電子設備出現故障。

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，以提升可靠性，減少維護成本。理想狀態下，控制電子設備必須離執行器很近，這也會產生較高的環境溫度。

汽車業提供了采用高溫電子設備的另一種新興應用。和航空電子一樣，汽車業也在從純機械和液壓系統向機電一體化系統轉變。4這就需要有離熱源更近的定位傳感器、信號調理，以及控制電子設備。

Highest溫度和暴露時間依車輛類型和車輛中電子器件的位置而定。例如，高集成的電氣和機械系統（如變速箱配置和變速箱控制器），可以簡化汽車子系統的生產、測試和維護過程。5電氣車輛和混合電動車需要高能量密度的電子設備，用作轉換器，電機控制，充電電路這些和高溫相關的部分。

 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，石油和天然氣等行業的高溫電子設備設計師只能使用遠高于額定規格的標準溫度器件。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常會大幅遞減。

這一過程充滿挑戰且昂貴耗時：
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。測試過程中如出現故障，需要再次選擇器件并經過長期測試，從而延長項目時間。
數據手冊規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。
針對高溫設計并通過認證的IC

幸運的是，憑借*近的IC技術，能夠保證以數據手冊規格在高溫下可靠工作的器件已經問世。工藝技術、電路設計和布局技術均有所發展。

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*重要也是*為人熟知的挑戰是因為襯底漏電流上升而產生。其他因素包括載流子遷移率, 下降、VT, β, 和 VSAT, 等器件參數變化、金屬互連電子遷移增加，以及電介質擊穿強度下降。6雖然標準硅可以在125°C以上的**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。
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境中的微弱信號。這種專用放大器通常是測量前端的**個器件，因此，其性能對整個信號鏈的信能至關重要。

ADI公司開發團隊從一開始就選定AD8229儀表放大器用于高溫工作環境，且始終針對這一目的進行設計。為了滿足其獨特的性能要求，還選用了專有的SOI雙極性工藝技術。設計人員采用了特殊電路技術，以保證能夠在各種器件參數下工作，例如基極-發射極電壓和正向電流增益。

IC布局也會顯著影響AD8229的性能和可靠性。為了在整個溫度范圍內維持低失調和高共模抑制比(CMRR)，布局應補償互連和溫度系數的變化。此外，仔細分析關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，設計人員還會預測故障條件，以防止過早擊穿。

憑借魯棒的工藝、電路設計和布局技術，器件可以滿足整個溫度范圍內*嚴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于完成了一半的工作。在高溫下進行芯片封裝并將其連接至PCB絕非易事。高溫時許多因素都會影響封裝完整性。
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定使用的材料都具有較低的玻璃化轉變溫度(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(CTE)進行匹配時需要特別注意，以防止芯片在寬溫度范圍內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發生變化，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。

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