高温电子设备对设计和可靠性构成挑战

作者：Jeff Watson and Gustavo Castro

许多行业都在要求电子产品能够在恶劣的环境中可靠运行，包括极高的温度。传统上，工程师在设计必须在正常温度范围之外运行的电子设备时，必须依靠主动或被动冷却，但在某些应用中，冷却可能是不可能的，或者电子设备可能更适合高温运行以提高系统可靠性或降低成本。这种选择带来了影响电子系统许多方面的挑战，包括硅、封装、鉴定方法和设计技术。

高温应用

高温电子设备（>150°C）历史最悠久，目前最大的用户是井下石油和天然气行业。在此应用中，工作温度是井地下深度的函数。在世界范围内，典型的地热梯度为25°C/km深度，但在某些地区，它更大。

过去，钻井作业在150°C至175°C的温度下达到最高水平，但易于获取的自然资源储量下降，加上技术的进步，促使该行业钻探得更深，以及世界上地热梯度较高的地区。这些敌对井中的温度可能超过200°C，压力大于25 kpsi。在这种恶劣的环境中，主动冷却是不切实际的，当加热不限于电子设备时，被动冷却技术是无效的。

高温电子设备在井下行业的应用可能相当复杂。首先，在钻井作业期间，电子设备和传感器操纵钻井设备并监控其健康状况。随着定向钻井技术的出现，高性能地质导向仪器必须将钻孔位置引导到精确的地质靶区。

在钻探时或之后不久，复杂的井下仪器会获取有关周围地质构造的数据。这种做法被称为测井，测量电阻率、放射性、声学传播时间、磁共振和其他特性，以确定地层的特征，如岩性、孔隙率、渗透率和水/碳氢化合物饱和度。这些数据使地质学家能够判断地层中的岩石类型，存在的流体类型及其位置，以及是否可以从含流体区域实际提取足够数量的碳氢化合物。

最后，在完成和生产阶段，电子系统监控压力、温度、振动和多相流，并主动控制阀门。满足这些需求需要高性能元件的完整信号链（图 2）。系统可靠性至关重要，因为设备故障导致的停机成本可能相当严重。在地下数英里的钻柱上运行的故障电子组件可能需要一天以上的时间来检索和更换 - 而操作复杂的深水海上钻井平台的费用约为每天100万美元！

图2.简化的井下测井仪表信号链。

其他用户：除了石油和天然气行业，其他应用，如航空电子设备，正在出现高温电子设备。航空业现在越来越倾向于“更多电动飞机”（MEA）。该计划的一部分旨在用分布式控制系统取代传统的集中式发动机控制器。1集中控制需要具有数百根导线和多个连接器接口的大型重型线束。转向分布式控制方案使发动机控制装置更靠近发动机，将互连的复杂性降低了 10 倍，节省了数百磅的飞机重量，2并提高系统的可靠性（部分估计为连接器引脚数的函数（根据 MIL-HDBK-217F））。

然而，代价是靠近发动机的环境温度范围为 –55°C 至 +200°C。 虽然电子设备可以在此应用中冷却，但出于两个原因，这是不可取的：冷却会增加飞机的成本和重量，最重要的是，冷却系统的故障可能导致控制关键系统的电子设备出现故障。

MEA计划的另一个方面是用电力电子设备和电子控制装置取代液压系统，以提高可靠性并降低维护成本。理想情况下，控制电子设备需要非常靠近执行器，这再次产生高环境温度环境。

汽车行业为高温电子产品的使用提供了另一种新兴应用。与航空电子设备一样，汽车行业正在从纯机械和液压系统转向机电或机电一体化系统。4这需要将传感器、信号调理和控制电子设备放置在更靠近热源的位置。

最高温度和暴露时间因车辆类型和车辆上电子设备的位置而异。例如，电气和机械系统的更高集成度，例如变速器和变速器控制器的搭配，可以简化汽车子系统的制造、测试和维护。5电动汽车和混合动力汽车需要具有高能量密度的电力电子设备，用于转换器、电机控制和充电电路，这些电路也与高温有关。

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，高温电子设计人员（例如石油和天然气行业的设计人员）被迫使用远高于其额定规格的标准温度元件。一些标准温度的IC确实可以在高温下工作，但使用它们是一项艰巨而冒险的工作。例如，工程师必须确定潜在的候选者，全面测试和表征温度范围内的性能，并鉴定器件在很长一段时间内的可靠性。零件的性能和寿命通常会大幅下降。这是一个具有挑战性、昂贵且耗时的过程：

合格的组件需要在带有高温印刷电路板（PCB）和夹具的实验室烘箱中进行测试，至少在任务配置文件所需的时间内进行测试。由于可能会遇到新的故障机制，因此很难加速测试。测试期间的失败需要再次迭代组件选择和长期测试，从而延迟项目时间表。

无法保证超出数据手册规格的操作，并且性能可能因组件批次而异。特别是，IC工艺的变化可能导致极端温度下的意外故障。

塑料封装仅在约175°C的温度下坚固耐用，使用寿命会缩短。接近此温度极限时，如果不进行昂贵且耗时的实验室失效分析，就很难区分封装相关故障和硅相关故障。陶瓷封装中的标准组件很少。

通常，在恶劣环境中使用的组件不仅必须承受高温，还必须承受剧烈的冲击和振动。许多工程师更喜欢使用带引线的封装，例如 DIP 或鸥翼式 SMT，因为它们为 PCB 提供了更坚固的连接。这进一步限制了器件的选择，因为其他行业趋向于更小的无引脚封装。

可能需要以模具形式获得零件，特别是如果组件仅采用塑料封装。然后可以将芯片重新封装在符合高温标准的密封封装或多芯片模块中。然而，在少数可以在高温下工作的组件中，较小的子集很容易作为测试骰子获得。

由于时间限制和测试设备的限制，业界的工程师可能倾向于将器件的认证限制在特定的应用电路中，而不涵盖所有关键器件参数，从而限制了其他项目的组件重用，而无需进一步测试。

非数据手册中的关键IC特性，例如金属互连中的电迁移，可能导致高温下失效。

专为高温设计和认证的IC

幸运的是，最近的IC技术已经生产出能够在高温下可靠运行的器件，并保证数据手册规格。在工艺技术、电路设计和布局技术方面取得了进步。

管理许多关键器件特性对于在高温下成功实现高性能运行至关重要。最重要和众所周知的挑战之一是基板漏电流的增加。其他一些是载流子迁移率降低，设备参数变化，例如VT、β和V坐，增加金属互连的电迁移，并降低介电击穿强度。6虽然标准硅的工作温度远远超过125°C的军用要求，7标准硅工艺中的泄漏每升高10°C就会翻倍，这使得许多精密应用无法接受。

沟槽隔离、绝缘体上硅 （SOI） 和标准硅工艺的其他变体大大减少了泄漏，并实现了远高于 200°C 的高性能操作。 图5显示了SOI双极性工艺如何减小泄漏面积。宽带隙材料，如碳化硅（SiC），进一步提高了标准;碳化硅IC在实验室研究中的工作温度高达600°C。然而，SiC是一种新兴的工艺技术，目前只有电源开关等简单器件才能上市。

图5.比较了体硅和SOI中的结泄漏机制。

仪表放大器：仪表放大器在井下钻井应用中需要高精度，以在通常存在的嘈杂环境中放大非常微弱的信号。这种专用放大器类型通常是测量前端的第一个组件，因此其性能对整个信号链的性能至关重要。

ADI公司的开发团队从一开始就将AD8229仪表放大器作为高温工作目标，并为此从头开始设计。为了满足其独特的性能要求，专有的SOI双极工艺是首选技术。设计人员实施了特殊的电路技术，以保证在基极-发射极电压和正向电流增益等各种器件参数下工作。

IC布局也会严重影响AD8229的性能和可靠性。为了在整个温度范围内保持低失调和高CMRR，该布局补偿了互连和温度系数的变化。此外，对关键部分的电流密度进行仔细分析，减轻了电迁移的影响，有助于提高极端条件下的可靠性。同样，设计人员预测了故障条件，以防止过早击穿。

稳健的工艺、电路设计和布局技术的结合使该器件能够满足整个温度范围内最严格的精度和可靠性要求。

打包注意事项

一旦高温功能硅拿到手，这场战斗只赢了一半。封装芯片，然后将封装连接到PCB，在高温下并非易事。许多因素会影响温度下的封装完整性（图 6）。

图6.IC封装和安装的元件。

芯片粘接材料将硅固定到封装或基板上。许多经验证可用于标准温度范围的材料具有较低的玻璃化转变温度（TG），不适合高温操作。需要特别注意匹配芯片、芯片连接和基板之间的热膨胀系数（CTE），以便芯片在宽温度跨度的循环中不会受到应力或断裂。即使是芯片上的轻微机械应力也会导致电气参数在精密应用中变为不可接受的水平。对于需要与封装基板进行热和电气连接的功率器件，可能需要金属芯片粘接材料。

引线键合是一种通过将引线框架的金属线连接到芯片表面上的键合焊盘来互连芯片和引脚的方法。在考虑高温下的引线键合可靠性时，用于引线和键合焊盘金属化的金属的兼容性是主要问题。与粘接金属相容性差相关的故障是双重的：边界界面处的金属间化合物（IMC）生长，从而产生脆性键;和扩散（柯肯德尔效应），在界面处产生空隙，削弱键的强度并增加其电阻。不幸的是，工业中最受欢迎的金属组合之一 - 金线和铝键合焊盘金属化 - 在高温下容易出现这些现象。图7是金/铝键合的部分，显示了IMC生长，在高温下500小时后，IMC生长会损害粘合完整性。

图7.在195°C下500小时后金/铝键。

图8显示了高温下粘接失效后大量的金/铝金属间生长和Kirkendall空隙。更糟糕的是，溴和氯等卤素（有时存在于模塑料中）会在高温下导致边界界面腐蚀，从而加快失效时间（尽管幸运的是，该行业正在转向“绿色”无卤模塑料）。因此，有强烈的动机将相同的金属用于键合线和键合焊盘（单金属键合），以避免这些负面影响。如果无法做到这一点，工程师应选择IMC生长和扩散速率足够慢的金属，以便在所需的使用寿命内保持可靠。

图8.具有空隙的金属间生长。

图9显示了单金属键在高温下的鲁棒性。在 195°C 下 3000 小时后，键合部分没有显示 IMC 生长的迹象。

图9.在195°C下3000小时后单金属键。

IC封装还必须承受恶劣环境施加的压力。塑料封装虽然是行业标准，但历来只能额定温度为150°C才能持续使用。随着最近对高温应用的兴趣，研究表明，该额定值可以扩展到175°C，但持续时间相对较短。根据封装结构的不同，175°C是某些材料（如模塑料）超过玻璃化转变温度的点。操作以上TG可能导致关键参数（如 CTE 和弯曲模量）发生重大机械变化，并导致热应变增加导致的分层和开裂等故障。

因此，密封陶瓷封装是高温应用的首选。气密密封为导致腐蚀的湿气和污染物进入提供了屏障。不幸的是，密封封装通常比塑料封装更大、更重、更昂贵。在极端温度要求较低的应用中（<175°C），塑料封装可能是首选，以节省PCB面积，降低成本或提供更好的振动合规性。对于需要密封封装和高元件密度的系统，高温多芯片模块可能是合适的解决方案。但是，此解决方案要求已知良好的骰子可用。

还必须评估封装引线配置和金属化。表面贴装元件完全取决于铜层和预浸料（预浸料）之间的粘合垫面积和粘合剂的质量。另一方面，通孔DIP配置是业内最成熟和最可靠的封装之一，也提供了强大的冲击和振动性能。在极端情况下，可以通过弯曲电路板底部的引脚以将其“钉”到PCB上来进一步提高连接强度，但通孔引脚排列不允许电路板底部的组件数量 - 这可能是井下仪器等应用的主要问题，这些应用具有严格的空间限制。

在许多情况下，鸥翼式 SMT 引线配置是一种可行的替代方案，但在许多高温环境中遇到的高冲击和振动条件下，无引线 SMT 可能不够坚固。使用SMT元件时，设计人员应考虑其高度和质量。高温环氧树脂的应用将提高连接坚固性，但会增加制造成本并限制维修能力。在所有情况下，铅金属化必须与高温焊料兼容。

最受欢迎的标准焊料合金的熔点低于200°C。 然而，有一些现成的合金属于“高熔点”（HMP）类别，熔点远高于250°C。 即使在这种情况下，任何受应力的焊料的最高推荐工作温度也比其熔点低约40°C。例如，5%锡，93.5%铅和1.5%银的标准HMP焊料合金成分的熔点为294°C，但建议仅在高达255°C的温度下使用。9请注意，BGA（球栅阵列）封装的焊球由工厂连接，可能不具有高熔点。

最后， PCB本身是潜在的故障来源.标准FR4在130°C至180°C的任何地方达到玻璃化转变，具体取决于具体的成分。如果在此温度以上使用（即使持续时间很短），它也会膨胀和分层。一个很好的经过验证的替代品是聚酰亚胺，与Kapton中使用的材料相同，它具有TG高达 250°C，具体取决于成分。然而， 聚酰亚胺具有非常高的吸湿性， 这可以通过各种机制迅速导致PCB失效， 因此控制水分暴露很重要.近年来，工业界推出了异国情调的层压板，这些层压板吸收的水分较少，在高温下保持完整性。

验证、鉴定和测试

在实验室中验证高温组件并非易事，因为它需要工程师结合前面提到的所有技术来测试极端温度下的性能。除了在测试夹具的构造中使用特殊材料外，测试工程师还必须小心操作环境箱，使系统能够适应所需的温度变化。由于膨胀系数不匹配，快速的温度变化会导致印刷电路板上的焊点损坏、翘曲，并最终导致系统过早失效。业界采用的准则是将温度变化率保持在每分钟3°C以下。

为了加速寿命和可靠性的测试，电子元件的公认做法是在高温下进行测试。这引入了一个加速度因子，α，由阿伦尼乌斯方程定义：

哪里E一个是活化能，k是玻尔兹曼常数，T一个是使用过程中的预期工作温度，以及Ts是应力温度。虽然加速老化适用于标准产品，但将应力温度提高到远高于额定温度可能会引入新的失效机制并产生不准确的结果。因此，为了保证AD8229等高温器件的使用寿命可靠性，高温工作寿命测试（HTOL）在最高额定温度210°C下运行1000小时（约6周）。对于较低的温度，可以使用图11所示的加速度关系来预测预期寿命。

图 11.AD8229寿命与工作温度的关系，1000小时@210°C。11

对高温IC进行可靠表征还存在其他障碍。例如，所使用的测试和测量系统的可靠性取决于其最薄弱的环节。这意味着每个长时间暴露在高温下的元件本质上必须比IC本身更可靠。不可靠的系统将产生不代表组件长期可靠性的数据，并将导致昂贵且耗时的过程重复。提高成功率的统计技术包括精确地超大测试样本，以增加非由DUT（被测设备）故障引起的过早系统故障的误差幅度。

另一个障碍是保证极端性能参数所需的生产步骤，例如测试、探测和修整。开发团队需要针对高温产品定制这些步骤。

高温系统设计注意事项

在高温下工作的电路设计人员必须考虑IC参数和无源元件在宽温度范围内的变化，密切关注它们在极端温度下的行为，以确保电路在目标限值内运行。示例包括失调和输入偏置漂移、增益误差、温度系数、额定电压、功耗、电路板泄漏以及其他分立器件（如ESD和过压保护器件中使用的器件）的固有泄漏。例如，在高源阻抗与放大器输入端子串联的情况下，不需要的漏电流（放大器自身的偏置电流除外）会产生失调，从而导致偏置电流测量误差（图 12）。

图 12.偏置和泄漏如何引起失调误差。

在所有情况下，高温操作都会加剧由助焊剂、灰尘和冷凝等污染物引入的电路板泄漏。适当的布局可以通过在敏感节点之间提供足够的间距来帮助最大限度地减少这些影响，例如将放大器输入与嘈杂的电源轨分开。

运算放大器和仪表放大器的标准引脚排列将其中一个输入端子放在负电源端子旁边。这大大降低了对组装后PCB助焊剂残留物的容忍度，这些残留物会导致泄漏增加。为了减少泄漏并提高高频CMRR，AD8229采用了与ADI公司制造的其他精密仪表放大器相同的高性能引脚排列（图13）。

图 13.修改器件引脚排列有助于最大限度地减少寄生泄漏。

二极管、瞬态电压抑制器（TVS）和其他半导体器件的泄漏随温度呈指数级增长，在许多情况下，可能比放大器的输入偏置电流大许多数量级。在这种情况下，设计人员必须确保极端温度下的泄漏不会降低电路规格超过所需限值。

如今，有几种无源元件可用于高温操作。电阻器和电容器在任何电路设计中都无处不在。表1中显示了一些市售选项。

表 1.高温电阻器和电容器的示例

电容器	最高额定温度	评论
单氯铝（陶瓷） C0G/NP0	200°C	低值、低热电偶，提供 SMT 或通孔
MLCC （陶瓷） X7R	200°C	TC高于C0G/NP0，余氧量更低
电解湿钽	200°C	高电容值，主要是通孔
电解钽	175°C	高电容值，提供 SMT 封装
电阻	最高额定温度	评论
绕线	275°C	高浪涌能力，稳定
金属膜	230°C	高精度
金属氧化物	230°C	通用
厚膜	275°C	通用，宽电阻范围
薄膜	215°C	紧凑、低 TC、高稳定性，提供电阻阵列
陶瓷组合物	220°C	碳成分的高温替代品

请注意，如果表面贴装元件的主体紧贴印刷电路板，则端子之间容易发生泄漏，因为在组装过程之后，助焊剂残留物往往会留在下面。这些残留物会吸湿，在高温下会增加其导电性。在这种情况下，表面贴装元件上会出现一个寄生电阻（具有相当不可预测的行为），这可能会引入额外的电路误差。为了克服这个问题，请考虑在电路中特别敏感的区域选择更大的芯片尺寸、鸥翼引线成型或通孔元件。最终，通过在组装过程结束时添加有效的电路板清洗步骤（通常使用超声波或皂化剂），几乎可以消除这种不需要的残留物。

在恶劣环境中运行的系统设计人员必须牢记热管理。即使对于专为高环境温度设计的组件，也要考虑与其功耗相关的自发热。对于AD8229，假设输出电流负载较小，则保证在高达210°C的温度下工作。驱动重负载或永久性故障条件（如输出短路）引起的额外功耗将使结温超过器件的最大额定值，从而大大缩短放大器的工作寿命。请务必遵循推荐的散热指南，并注意相邻的热源，例如功率调节器。

即使是高温电阻器，在 70°C 以上也会降低额定功率。 特别注意预期工作温度下的电阻温度额定值，特别是如果它们会消耗大量功率。例如，如果额定温度为200°C的电阻器在190°C的环境温度下工作，但如果其因功耗而自发热为20°C，则其将超过其额定温度。

虽然许多无源元件可以承受高温，但它们的结构可能不适合长期暴露在可能将高温与冲击和振动相结合的环境中。此外，高温电阻器和电容器的制造商规定了给定温度下的工作寿命。匹配所有组件的使用寿命规格对于获得高可靠性系统非常重要。最后，不要忽视许多额定高温组件可能需要额外降额才能实现持久运行。

案例研究：绘制烤箱中的热梯度图

AD8229和ADXL206（双轴加速度计）在便携式且使用安全的高温环境中工作，演示了高温应用中的两种合适器件。该演示使用带有旋转组件的小型电烤箱，该组件上安装高温 PCB 并连续运行。烤箱内的加热元件位于顶部附近。这种布置在烤箱体积内产生了较大的温度梯度。旋转机构适用于可以结合温度和位置测量的实验。

AD8229调理来自K型热电偶的信号，K型热电偶在烘箱内不断旋转。热电偶探头延伸到PCB外约6英寸，可以更好地测量烘箱温度的变化。同时，ADXL206测量旋转角度。三个信号（温度梯度、x 加速度和 y 加速度）通过额定用于高温操作的滑环（旋转连接器）发送。滑环保持与非旋转线束的连接，线束连接到烤箱外部的数据采集板。由于“冷端”位于烘箱内部，第二个热电偶提供内部温度的静态参考。AD8495热电偶放大器（也在烤箱外）使用其集成的冷端补偿来调理附加热电偶的信号。

烤箱内的电路板位于旋转组件的中心附近，其温度约为 175°C。 该板的结构使用聚酰亚胺材料。铜层上的轨道使用0.020“的最小宽度，以提高铜对预浸料的附着力（图14）。组件使用标准HMP焊料（5/93.5/1.5 Sn/Pb/Ag）连接，并使用特氟龙涂层电线连接电路板和滑环。

图 14.安装元件的高温印刷电路板.

所有精密组件均采用通孔安装。25 ppm/°C金属膜电阻设置仪表放大器的增益。放大器以高增益工作，因此从放大器到增益电阻的走线长度尽可能短，以最大限度地减小铜电阻（4000 ppm/°C TC）。热电偶和放大器之间的接口位于电路板的中心，以便在旋转过程中保持恒定的温度。热电偶端子尽可能靠近，以消除结处不需要的热电动势效应。

高温钽电容器和C0G/NP0电容器对电源进行去耦，并用作加速度计输出的滤波器。

计算机处理来自四个不同来源的数据：旋转角度（矩形 x 和 y 分量）、内部温度梯度和参考温度。所有这些测量值组合在一起以绘制温度梯度图（图 15）。分析结果表明，温度变化可宽至25°C。 正如预期的那样，最高温度在加热元件附近，加热元件位于烤箱后壁顶部附近。由于自然对流，烤箱的顶部是烤箱内第二热的区域。当热电偶与加热元件相对时，检测到最低温度。

该实验以一种简单的方式表明，集成到测井系统中的高温组件如何在恶劣环境中运行时提取有价值的信息。

图 15.高温演示图。

结论

许多应用，无论是已建立的还是新兴的，都需要在非常高的温度环境中工作的组件。过去，由于缺乏针对此类恶劣环境的额定设备，因此可靠地设计此类系统具有挑战性。现在，设计并符合在这些环境中运行的IC和支持组件已经可用，从而节省了工程时间并降低了故障风险。利用这项新技术并遵循高温设计实践将使高性能系统能够在比以前可行的更极端的环境中可靠运行。

审核编辑：郭婷