高温电子设备对设计和可靠性带来挑战资料下载

Jeff Watson 和 Gustavo Castro 简介 许多行业都需要能够在极端高温等恶劣环境下可靠工作的电子设备。依照传统做法，在设计需要在常温范围之外工作的电子设备时，工程师必须采用主动或被动冷却技术，但某些应用可能无法进行冷却，或是电子设备在高温下工作时更为有利，可提升系统可靠性或降低成本。这便提出了影响电子系统方方面面的诸多挑战，包括硅、封装、认证方法和设计技术。 高温应用 最古老以及目前最大的高温电子设备(>150°C)应用领域是地下石油和天然气行业（图1）。在该应用中，工作温度和地下井深成函数关系。全球地热梯度一般为25°C/km深度，某些地区更大。 图1.地下钻探作业 过去，钻探作业最高在150°C至175°C的温度范围内进行，然而，由于地下易钻探自然资源储备的减少和技术进步，行业的钻探深度开始加深，同时也开始在地热梯度较高的地区进行钻探。这些恶劣的地下井温度超过200°C，压力超过25 kpsi。主动冷却技术在这种恶劣环境下不太现实，被动冷却技术在发热不限于电子设备时也不太有效。 地下钻探行业中高温电子设备的应用十分复杂。首先，在钻探作业过程中，电子设备和传感器会引导钻探设备并监控其状态是否正常。随着定向钻探技术的出现，高温地质导向仪器必须将钻孔位置精确引导至地质目标。 钻孔时或钻孔刚结束时，精密的井下仪器会收集周围的地质构造数据。这种做法称为测井可以测量电阻率、放射性、声音传播时间、磁共振和其他属性，以便确定地质构造特性，如岩性、孔隙度、渗透率，以及水/烃饱和度。通过这些数据，地质学家可以从构造上对岩石类型进行判断，还可以判断存在的流体类型及其位置，以及含流体区域能否提取出足够数量的碳氢化合物。 最后，在完成和生产阶段，电子系统会监控压力、温度、振动和多相位流动，并主动控制阀门。要满足这些需求，需要有一个完整的高性能元件信号链（图2）。系统可靠性是最重要的因素，因为设备故障会造成极高的停机成本。在地下数英里作业的钻柱如果出现电子组件故障，需要一天以上的时间来检修及更换，操作复杂深水海上钻井平台每天大约需要花费100万美元！ 图2.简化测井仪器信号链 图2.简化测井仪器信号链:除了石油和天然气行业外，航空电子等其他应用对高温电子器件的需求也日渐增多。如今，航空业正日益向"多电子飞机"(MEA)的趋势发展。这一方案一方面是为了用分布式控制系统取代传统集中式发动机控制器。1集中式控制需要采用由数百个导体和多个连接器接口组成的庞大重型线束。分布式控制方案则将发动机控制系统放置在离发动机较近的地方（图3），将互连的复杂性降低了10倍，使飞机的重量减轻了数百磅，2同时增加了系统可靠性（估计值在某种程度上与连接器引脚数成函数关系（根据MIL-HDBK-217F计算）3 图3.安装在飞机发动机上的控制系统 但是，代价是发动机附近的环境温度会上升（–55°C至 200°C）。虽然该应用中电子设备可以进行冷却，但依然会产生不利影响，原因有二：首先，冷却会增加飞机的成本和重量，其次（也是最重要的一点），冷却系统故障会导致控制关键系统的电子设备出现故障。 MEA方案另一方面是要用电力电子和电子控制取代液压系统，以提升可靠性，减少维护成本。理想状态下，控制电子设备必须离执行器很近，这也会产生较高的环境温度。 汽车业提供了采用高温电子设备的另一种新兴应用。和航空电子一样，汽车业也在从纯机械和液压系统向机电一体化系统转变。4这就需要有离热源更近的定位传感器、信号调理，以及控制电子设备。 最高温度和暴露时间依车辆类型和车辆中电子器件的位置而定（图4）。例如，高集成的电气和机械系统（如变速箱配置和变速箱控制器），可以简化汽车子系统的生产、测试和维护过程。5电气车辆和混合电动车需要高能量密度的电子设备，用作转换器，电机控制，充电电路这些和高温相关的部分。 图4.典型的汽车最高温度范围5 使用超出数据手册温度规格的IC 过去，由于无法获得高温IC，石油和天然气等行业的高温电子设备设计师只能使用远高于额定规格的标准温度器件。有些标准温度的IC确实能在高温下工作，但是使用起来非常困难，并且十分危险。例如，工程师必须确定可能选用的器件，充分测试并描述其温度性能，并验证其长期可靠性。器件的性能和寿命经常会大幅递减。这一过程充满挑战且昂贵耗时： 器件验证需要用高温印刷电路板(PCB)和设备在实验室烤箱中进行测试，测试时间至少应达到任务剖面所需的时间。由于可能面临新的故障机制，测试速度很难加快。测试过程中如出现故障，需要再次选择器件并经过长期测试，从而延长项目时间。 数据手册规格之外的工作情况无法获得保证，性能可能随器件批次而变化。具体而言，IC工艺变化会在极端温度时导致意外故障。 塑料封装只在不超过约175°C时保持鲁棒，且工作寿命减少。在这一温度限值附近，如果不进行昂贵耗时的实验室故障分析，很难区分故障是因封装还是硅材料引起的。陶瓷封装的标准器件供货较为稀缺。 恶劣环境下使用的器件通常不仅要能承受高温，还要能承受冲击和振动。许多工程师都喜欢采用带引脚的封装（如DIP或鸥翼SMT），因为这些封装可以为PCB提供更加鲁棒的安装。由于其他行业倾向于小型无引脚封装，会进一步限制器件的选择。 最好采用裸片形式的器件，尤其是在器件只提供塑料封装的情况下。然后，芯片可以采用符合高温的密封封装或多芯片模式重新封装。但是，能够在高温下工作的器件原本就不多，能够通过测试的芯片就更少。 由于时间和测试设备限制，业界工程师可能倾向于将器件的条件限制在特定的应用电路中，而不是涵盖所有的关键器件参数，使器件难以不经进一步测试便重新用于其它项目。 数据手册未列出的关键IC属性（如金属互连的电子迁移）可能在高温时引起故障。 针对高温设计并通过认证的IC 幸运的是，凭借最近的IC技术，能够保证以数据手册规格在高温下可靠工作的器件已经问世。工艺技术、电路设计和布局技术均有所发展。 要想在高温条件下顺利工作，必须能够同时管理多个关键器件特性。其中一项最重要也是最为人熟知的挑战是因为衬底漏电流上升而产生。其他因素包括载流子迁移率, 下降、VT, β, 和 VSAT, 等器件参数变化、金属互连电子迁移增加，以及电介质击穿强度下降。6虽然标准硅可以在125°C以上的军用温度要求下正常工作，7但每上升10°C，标准硅工艺中的泄露就会增加一倍，许多精密应用都不能接受这一情况。 沟道隔离、绝缘硅片 (SOI)和标准硅工艺中的其他变化都会大大降低泄露，使高性能工作温度远高于200°C。图5所示为SOI双极性工艺减少泄露区域的过程。碳化硅(SiC)之类的宽带隙材料会使性能进一步提升，实验室研究显示，碳化硅IC可在高达600°C下工作。但是，SiC是一种新型的工艺技术，目前市场上只有功率开关之类的简单器件。 图5.体硅与SOI的结点泄露机制对比 仪表放大器: 用于地下钻探的仪表放大器需要具备高精度，以便放大常见噪声环境中的微弱信号。这种专用放大器通常是测量前端的第一个器件，因此，其性能对整个信号链的信能至关重要。 ADI公司开发团队从一开始就选定 AD8229 仪表放大器用于高温工作环境，且始终针对这一目的进行设计。为了满足其独特的性能要求，还选用了专有的SOI双极性工艺技术。设计人员采用了特殊电路技术，以保证能够在各种器件参数下工作，例如基极-发射极电压和正向电流增益。 IC布局也会显著影响AD8229的性能和可靠性。为了在整个温度范围内维持低失调和高共模抑制比(CMRR)，布局应补偿互连和温度系数的变化。此外，仔细分析关键部分的电流密度可以降低电子迁移的影响，并提升极端条件下的可靠性。同样，设计人员还会预测故障条件，以防止过早击穿。 凭借鲁棒的工艺、电路设计和布局技术，器件可以满足整个温度范围内最严苛的精度和可靠性要求。 封装考虑因素 高温功能化硅的采用只相当于完成了一半的工作。在高温下进行芯片封装并将其连接至PCB绝非易事。高温时许多因素都会影响封装完整性（图6）。 图6.IC封装和贴装元件 芯片粘着 材料可以确保将硅连接至封装或基板。许多在标准温度范围能够稳定使用的材料都具有较低的玻璃化转变温度(TG)，不适合在高温下工作。对芯片、芯片粘着材料和基板的热膨胀系数(CTE)进行匹配时需要特别注意，以防止芯片在宽温度范围内反复工作时受到应力或断裂。芯片上即便受到少量的机械应力，也可能会导致电气参数发生变化，达到精密应用不可接受的水平。对于需要采用热连接和电气连接连接至封装基板的功率器件，可能需要使用金属芯片粘着材料。 线焊是芯片和引脚互连的一种方法，这种方法是在芯片表面上从引脚架构至焊盘用金属线连接。对高温下的线焊可靠性而言，线所用金属与焊盘金属化层的兼容性是一大问题。由于焊接金属兼容性差产生的故障有两方面，一方面是边界接口的金属间化合物 (IMC)生长，这会导致焊接易碎；另一方面是扩散（柯肯达尔效应），这会在接口处产生空洞，减小焊接强度并增加其电阻。遗憾的是，业界最常见的金属组合之一（金线和铝焊盘金属化层）在高温时就容易产生上述现象。图7是金/铝焊接的剖面图，该图显示了IMC的生长情况，在高温条件下经过500小时后会影响焊接的完整性。