高溫電子設(shè)備對設(shè)計和可靠性帶來挑戰(zhàn)

簡介
許多行業(yè)都需要能夠在極端高溫等惡劣環(huán)境下可靠工作的電子設(shè)備。依照傳統(tǒng)做法，在設(shè)計需要在常溫范圍之外工作的電子設(shè)備時，工程師必須采用主動或被動冷卻技術(shù)，但某些應(yīng)用可能無法進(jìn)行冷卻，或是電子設(shè)備在高溫下工作時更為有利，可提升系統(tǒng)可靠性或降低成本。這便提出了影響電子系統(tǒng)方方面面的諸多挑戰(zhàn)，包括硅、封裝、認(rèn)證方法和設(shè)計技術(shù)。

高溫應(yīng)用

最古老以及目前最大的高溫電子設(shè)備(>150°C)應(yīng)用領(lǐng)域是地下石油和天然氣行業(yè)（圖1）。在該應(yīng)用中，工作溫度和地下井深成函數(shù)關(guān)系。全球地?zé)崽荻纫话銥?5°C/km深度，某些地區(qū)更大。

圖1.地下鉆探作業(yè)

過去，鉆探作業(yè)最高在150°C至175°C的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行，然而，由于地下易鉆探自然資源儲備的減少和技術(shù)進(jìn)步，行業(yè)的鉆探深度開始加深，同時也開始在地?zé)崽荻容^高的地區(qū)進(jìn)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(shù)在這種惡劣環(huán)境下不太現(xiàn)實，被動冷卻技術(shù)在發(fā)熱不限于電子設(shè)備時也不太有效。

地下鉆探行業(yè)中高溫電子設(shè)備的應(yīng)用十分復(fù)雜。首先，在鉆探作業(yè)過程中，電子設(shè)備和傳感器會引導(dǎo)鉆探設(shè)備并監(jiān)控其狀態(tài)是否正常。隨著定向鉆探技術(shù)的出現(xiàn)，高溫地質(zhì)導(dǎo)向儀器必須將鉆孔位置精確引導(dǎo)至地質(zhì)目標(biāo)。

鉆孔時或鉆孔剛結(jié)束時，精密的井下儀器會收集周圍的地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)。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(zhì)構(gòu)造特性，如巖性、孔隙度、滲透率，以及水/烴飽和度。通過這些數(shù)據(jù)，地質(zhì)學(xué)家可以從構(gòu)造上對巖石類型進(jìn)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(qū)域能否提取出足夠數(shù)量的碳?xì)浠衔铩?

最后，在完成和生產(chǎn)階段，電子系統(tǒng)會監(jiān)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元件信號鏈（圖2）。系統(tǒng)可靠性是最重要的因素，因為設(shè)備故障會造成極高的停機成本。在地下數(shù)英里作業(yè)的鉆柱如果出現(xiàn)電子組件故障，需要一天以上的時間來檢修及更換，操作復(fù)雜深水海上鉆井平臺每天大約需要花費100萬美元！

圖2.簡化測井儀器信號鏈

其他應(yīng)用領(lǐng)域:除了石油和天然氣行業(yè)外，航空電子等其他應(yīng)用對高溫電子器件的需求也日漸增多。如今，航空業(yè)正日益向“多電子飛機”(MEA)的趨勢發(fā)展。這一方案一方面是為了用分布式控制系統(tǒng)取代傳統(tǒng)集中式發(fā)動機控制器。1集中式控制需要采用由數(shù)百個導(dǎo)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(fā)動機控制系統(tǒng)放置在離發(fā)動機較近的地方（圖3），將互連的復(fù)雜性降低了10倍，使飛機的重量減輕了數(shù)百磅，2同時增加了系統(tǒng)可靠性（估計值在某種程度上與連接器引腳數(shù)成函數(shù)關(guān)系（根據(jù)MIL-HDBK-217F計）3

圖3.安裝在飛機發(fā)動機上的控制系統(tǒng)

但是，代價是發(fā)動機附近的環(huán)境溫度會上升（–55°C至+200°C）。雖然該應(yīng)用中電子設(shè)備可以進(jìn)行冷卻，但依然會產(chǎn)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（也是最重要的一點），冷卻系統(tǒng)故障會導(dǎo)致控制關(guān)鍵系統(tǒng)的電子設(shè)備出現(xiàn)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(tǒng)，以提升可靠性，減少維護(hù)成本。理想狀態(tài)下，控制電子設(shè)備必須離執(zhí)行器很近，這也會產(chǎn)生較高的環(huán)境溫度。

汽車業(yè)提供了采用高溫電子設(shè)備的另一種新興應(yīng)用。和航空電子一樣，汽車業(yè)也在從純機械和液壓系統(tǒng)向機電一體化系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。4這就需要有離熱源更近的定位傳感器、信號調(diào)理，以及控制電子設(shè)備。
最高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（圖4）。例如，高集成的電氣和機械系統(tǒng)（如變速箱配置和變速箱控制器），可以簡化汽車子系統(tǒng)的生產(chǎn)、測試和維護(hù)過程。5電氣車輛和混合電動車需要高能量密度的電子設(shè)備，用作轉(zhuǎn)換器，電機控制，充電電路這些和高溫相關(guān)的部分。

圖4.典型的汽車最高溫度范圍5

使用超出數(shù)據(jù)手冊溫度規(guī)格的IC

過去，由于無法獲得高溫IC，石油和天然氣等行業(yè)的高溫電子設(shè)備設(shè)計師只能使用遠(yuǎn)高于額定規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)溫度器件。有些標(biāo)準(zhǔn)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(jīng)常會大幅遞減。這一過程充滿挑戰(zhàn)且昂貴耗時：

?器件驗證需要用高溫印刷電路板(PCB)和設(shè)備在實驗室烤箱中進(jìn)行測試，測試時間至少應(yīng)達(dá)到任務(wù)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(xiàn)故障，需要再次選擇器件并經(jīng)過長期測試，從而延長項目時間。

?數(shù)據(jù)手冊規(guī)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(dǎo)致意外故障。

?塑料封裝只在不超過約175°C時保持魯棒，且工作壽命減少。在這一溫度限值附近，如果不進(jìn)行昂貴耗時的實驗室故障分析，很難區(qū)分故障是因封裝還是硅材料引起的。陶瓷封裝的標(biāo)準(zhǔn)器件供貨較為稀缺。

?惡劣環(huán)境下使用的器件通常不僅要能承受高溫，還要能承受沖擊和振動。許多工程師都喜歡采用帶引腳的封裝（如DIP或鷗翼SMT），因為這些封裝可以為PCB提供更加魯棒的安裝。由于其他行業(yè)傾向于小型無引腳封裝，會進(jìn)一步限制器件的選擇。

?最好采用裸片形式的器件，尤其是在器件只提供塑料封裝的情況下。然后，芯片可以采用符合高溫的密封封裝或多芯片模式重新封裝。但是，能夠在高溫下工作的器件原本就不多，能夠通過測試的芯片就更少。

?由于時間和測試設(shè)備限制，業(yè)界工程師可能傾向于將器件的條件限制在特定的應(yīng)用電路中，而不是涵蓋所有的關(guān)鍵器件參數(shù)，使器件難以不經(jīng)進(jìn)一步測試便重新用于其它項目。

?? 數(shù)據(jù)手冊未列出的關(guān)鍵IC屬性（如金屬互連的電子遷移）可能在高溫時引起故障。

針對高溫設(shè)計并通過認(rèn)證的IC

幸運的是，憑借最近的IC技術(shù)，能夠保證以數(shù)據(jù)手冊規(guī)格在高溫下可靠工作的器件已經(jīng)問世。工藝技術(shù)、電路設(shè)計和布局技術(shù)均有所發(fā)展。

要想在高溫條件下順利工作，必須能夠同時管理多個關(guān)鍵器件特性。其中一項最重要也是最為人熟知的挑戰(zhàn)是因為襯底漏電流上升而產(chǎn)生。其他因素包括載流子遷移率, 下降、VT, β, 和 VSAT, 等器件參數(shù)變化、金屬互連電子遷移增加，以及電介質(zhì)擊穿強度下降。6雖然標(biāo)準(zhǔn)硅可以在125°C以上的軍用溫度要求下正常工作，7但每上升10°C，標(biāo)準(zhǔn)硅工藝中的泄露就會增加一倍，許多精密應(yīng)用都不能接受這一情況。

溝道隔離、絕緣硅片 (SOI)和標(biāo)準(zhǔn)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(yuǎn)高于200°C。圖5所示為SOI雙極性工藝減少泄露區(qū)域的過程。碳化硅(SiC)之類的寬帶隙材料會使性能進(jìn)一步提升，實驗室研究顯示，碳化硅IC可在高達(dá)600°C下工作。但是，SiC是一種新型的工藝技術(shù)，目前市場上只有功率開關(guān)之類的簡單器件。

圖5.體硅與SOI的結(jié)點泄露機制對比

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(huán)境中的微弱信號。這種專用放大器通常是測量前端的第一個器件，因此，其性能對整個信號鏈的信能至關(guān)重要。

ADI公司開發(fā)團隊從一開始就選定AD8229儀表放大器用于高溫工作環(huán)境，且始終針對這一目的進(jìn)行設(shè)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(shù)。設(shè)計人員采用了特殊電路技術(shù)，以保證能夠在各種器件參數(shù)下工作，例如基極-發(fā)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(nèi)維持低失調(diào)和高共模抑制比(CMRR)，布局應(yīng)補償互連和溫度系數(shù)的變化。此外，仔細(xì)分析關(guān)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(shè)計人員還會預(yù)測故障條件，以防止過早擊穿。
憑借魯棒的工藝、電路設(shè)計和布局技術(shù)，器件可以滿足整個溫度范圍內(nèi)最嚴(yán)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(dāng)于完成了一半的工作。在高溫下進(jìn)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（圖6）。

圖6.IC封裝和貼裝元件

芯片粘著 材料可以確保將硅連接至封裝或基板。許多在標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍能夠穩(wěn)定使用的材料都具有較低的玻璃化轉(zhuǎn)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(shù)(CTE)進(jìn)行匹配時需要特別注意，以防止芯片在寬溫度范圍內(nèi)反復(fù)工作時受到應(yīng)力或斷裂。芯片上即便受到少量的機械應(yīng)力，也可能會導(dǎo)致電氣參數(shù)發(fā)生變化，達(dá)到精密應(yīng)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。

線焊是芯片和引腳互連的一種方法，這種方法是在芯片表面上從引腳架構(gòu)至焊盤用金屬線連接。對高溫下的線焊可靠性而言，線所用金屬與焊盤金屬化層的兼容性是一大問題。由于焊接金屬兼容性差產(chǎn)生的故障有兩方面，一方面是邊界接口的金屬間化合物 (IMC)生長，這會導(dǎo)致焊接易碎；另一方面是擴散（柯肯達(dá)爾效應(yīng)），這會在接口處產(chǎn)生空洞，減小焊接強度并增加其電阻。遺憾的是，業(yè)界最常見的金屬組合之一（金線和鋁焊盤金屬化層）在高溫時就容易產(chǎn)生上述現(xiàn)象。圖7是金/鋁焊接的剖面圖，該圖顯示了IMC的生長情況，在高溫條件下經(jīng)過500小時后會影響焊接的完整性。

圖7.195°C下500小時后的金/鋁焊接

從圖8中可以看到，高溫焊接失敗后出現(xiàn)了明顯的金/鋁金屬間化合物生長和柯肯達(dá)爾空洞。更糟的是，溴和氯等鹵素（時見于塑封材料）在高溫時也會引起邊界接口腐蝕，加速焊接失敗（幸而業(yè)界已轉(zhuǎn)用“綠色”無鹵素塑封材料）。因此，焊線和焊盤最好采用相同金屬（單金屬焊接），以避免上述不良影響。如果不能采用相同金屬，工程師應(yīng)當(dāng)選擇IMC生長和擴散率足夠慢的金屬，以保證在所需的壽命內(nèi)可靠使用。

圖8.產(chǎn)生空洞的金屬間化合物生長

圖9顯示了單金屬焊接在高溫下的魯棒性。從焊接剖面來看，195°C下經(jīng)過3000小時后未出現(xiàn)IMC生長跡象。

圖9.195°C下3000小時后的單金屬焊接

IC封裝也必須能夠承受惡劣環(huán)境下施加的應(yīng)力。塑料封裝盡管達(dá)到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但傳統(tǒng)上只能在150°C的額定溫度下持續(xù)使用。隨著近期高溫應(yīng)用日益受到關(guān)注，研究表明，這一額定溫度可增至175°C，但只能持續(xù)較短時間。從封裝結(jié)構(gòu)來看，175°C是某些材料（如塑封材料）超過玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的溫度點。在TG以上溫度工作會使關(guān)鍵參數(shù)（如CTE和彎曲模量）產(chǎn)生顯著機械變化，并因熱應(yīng)變引起分層及開裂等焊接失敗現(xiàn)象。8

因此，高溫應(yīng)用時最好選用密封陶瓷封裝（圖10）。密封可以防止導(dǎo)致腐蝕的濕氣和污染進(jìn)入。遺憾的是，密封封裝通常較大較重，且價格比同類塑料封裝貴得多。在極端溫度要求( 175°C)較少的應(yīng)用中，最好采用塑料封裝，可以減少PCB面積、降低成本，或是提供更好的振動順應(yīng)性。對需要采用密封封裝和高器件密度的系統(tǒng)而言，高溫多芯片模塊是一種比較合理的解決方案。然而，這種方案需要提供已知合格芯片。

圖10.密封側(cè)面釬焊陶瓷DIP封裝

封裝引腳配置和金屬化情況也必須加以評估。表面貼裝器件質(zhì)量僅取決于焊盤面積以及銅層和預(yù)浸材料之間的粘結(jié)質(zhì)量。另一方面，通孔DIP配置（業(yè)界最可靠的封裝之一）也可提供魯棒的沖擊和振動性能。極端情況下，要想進(jìn)一步提升連接強度，還可以彎曲電路板底側(cè)引腳，并將其“釘”在PCB上，但是，通孔引腳排列不允許電路板低側(cè)的元件密集分布，這可能是空間限制嚴(yán)格的井下儀器等應(yīng)用面臨的一大問題。

許多情況下，鷗翼SMT引腳配置是一種可行的替代方法，但是，無引腳SMT在許多高溫環(huán)境下面臨高沖擊和振動時不夠魯棒。采用SMT器件時，設(shè)計人員應(yīng)當(dāng)考慮其高度和質(zhì)量。采用高溫環(huán)氧樹脂可以提高連接魯棒性，但是會增加制造成本，加大維修難度。在所有情況下，引腳金屬化層都必須兼容高溫焊料。

最常見的標(biāo)準(zhǔn)焊料合金熔點低于200°C。但是，有一些現(xiàn)成的合金可以列入“高熔點”(HMP)合金，其熔點遠(yuǎn)高于250°C。即便在這些情況下，對任何受應(yīng)力影響的焊料而言，其最高推薦工作溫度也比其熔點低40°C左右。例如，標(biāo)準(zhǔn)HMP焊料合金由5%的錫、93.5%的鉛和1.5%的銀組成，熔點為294°C，但其推薦工作溫度僅為255°C。9注意，BGA （球柵陣列）封裝有工廠粘結(jié)的焊料球，熔點可能不會太高。

最后，PCB本身也可能是焊接失敗的原因。標(biāo)準(zhǔn)FR4材料在130°C至180°C時可在任意位置發(fā)生玻璃化轉(zhuǎn)變，依具體成分而定。如果在該溫度以上使用（即使時間較短），也會出現(xiàn)擴散和分層。聚酰亞胺是一種可靠的替代材料（Kapton中就采用了這種材料），其TG高達(dá)250°C，具體依成分而定。但是，聚酰亞胺的吸濕性極強，可能會使PCB由于各種機制迅速出現(xiàn)故障，因此，控制其在濕氣中的暴露至關(guān)重要。近些年來，業(yè)界引進(jìn)了吸濕性較小且能在高溫時保持完整的新型層壓材料。
驗證、認(rèn)證與測試在實驗室驗證高溫器件并非易事，因為工程師需要綜合上述各項技術(shù)才能在極端溫度下測試器件性能。除了在建造測試夾具時采用特殊材料外，測試工程師還必須謹(jǐn)慎操作環(huán)境試驗箱，使系統(tǒng)調(diào)整至所需的溫度變化。由于膨脹系數(shù)不匹配，快速溫度變化會對PCB板上的焊點造成損害，產(chǎn)生翹曲變形，并最終使系統(tǒng)過早出現(xiàn)故障。業(yè)界采用的原則是將溫度變化率保持在每分鐘3°C以下。

為了加快壽命與可靠性測試過程，在高溫下測試電子器件是一種可以接受的方法。這里需要引入一個加速系數(shù)α，根據(jù)Arrhenius方程計算：

其中Ea為激活能，k為玻爾茲曼常數(shù)，Ta為使用時的預(yù)期工作溫度，Ts為應(yīng)力溫度。雖然加速老化問題對標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品影響不大，但是，應(yīng)力溫度遠(yuǎn)高于額定溫度可能會引起新的故障機制，并導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。因此，為保證AD8229等高溫器件的終身可靠性，需要在210°C的最高額定溫度下進(jìn)行為期1000小時（大約六周）的高溫工作壽命 測試(HTOL)。在低溫情況下，預(yù)期壽命可以采用圖11所示的加速度關(guān)系進(jìn)行預(yù)測。

圖11.AD8229壽命與工作溫度，1000小時（210°C）11

高溫IC的可靠特性測試還存在其他阻礙因素。例如，采用的測試和測量系統(tǒng)可靠性取決于其最薄弱的環(huán)節(jié)。這意味著長期處于高溫下的每個要素自身的可靠性都必須優(yōu)于IC。系統(tǒng)如果不可靠，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)就無法體現(xiàn)器件的長期可靠性，并且使得整個過程不斷重復(fù)，既昂貴又耗時。統(tǒng)計技術(shù)可以提高測試成功率，包括準(zhǔn)確加大測試樣本，以增加誤差余量，防止因DUT（受測試器件）故障導(dǎo)致系統(tǒng)過早出現(xiàn)故障。

另一個阻礙因素由保證極端情況下性能參數(shù)所需的生產(chǎn)環(huán)節(jié)造成，例如測試、探測和調(diào)整。開發(fā)團隊需要針對高溫產(chǎn)品對這些環(huán)節(jié)進(jìn)行定制。

高溫系統(tǒng)設(shè)計考慮因素

高溫工作電路的設(shè)計人員必須考慮IC參數(shù)和無源器件在寬溫度范圍內(nèi)的變化，特別關(guān)注其在極端溫度下的特性，以確保電路能夠在目標(biāo)限制內(nèi)工作。例如失調(diào)和輸入偏置漂移、增益誤差、溫度系數(shù)、電壓額定值、功耗、電路板泄露，以及其他分立器件（如ESD使用的器件和過壓保護(hù)器件）的固有泄露。例如，在高源阻抗與某放大器輸入端串聯(lián)時，無用的漏電流（非放大器本身的偏置電流）會產(chǎn)生失調(diào)，進(jìn)而引起偏置電流測量誤差（圖12）。

圖12.偏置電流和漏電流如何產(chǎn)生失調(diào)誤差

在所有情況下，高溫工作都會加重由焊劑、灰塵和冷凝等污染引起的電路板泄露。合理的布局有助于最大程度地減少上述影響，具體做法是在敏感節(jié)點之間提供足夠的空間，例如將放大器輸入和含噪聲的供電軌分離。

運算放大器和儀表放大器的標(biāo)準(zhǔn)引腳排列方法是將其中一個輸入端放置在負(fù)電源端附近。這種做法會大大降低對PCB裝配后焊劑殘留的耐受能力，這些焊劑殘留會增加泄露。為了減少泄露，增加高頻CMRR，AD8229采用了與ADI公司其他精密儀表放大器相同的高性能引腳排列（圖13）。

圖13.器件引腳排列改進(jìn)有助于將寄生泄露降至最低

二極管、瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)和其他半導(dǎo)體器件的泄露都會隨著溫度升高成指數(shù)遞增，而且許多情況下都比放大器的輸入偏置電流高出很多個數(shù)量級。在這些情況下，設(shè)計人員必須確保極端溫度下的泄露不會降低電路規(guī)格，使其超出所需限制。

如今，有多種無源器件可供高溫工作環(huán)境使用。電阻和電容在各種電路設(shè)計中十分常見。表1列出了市場上現(xiàn)有的一些器件。

Table 1. Examples of High-Temperature Resistors and Capacitors

注意，表面貼裝器件如果靠著PCB，引腳間就很容易產(chǎn)生泄露，因為焊劑殘留在裝配結(jié)束后還會留在電路板底部。這些焊劑殘留會吸濕，從而增加高溫時的傳導(dǎo)率。此時，表面貼裝器件中會出現(xiàn)寄生電阻（特性很難預(yù)測），可能會引起其他的電路誤差。要解決這一問題，可以考慮選用尺寸較大的芯片、鷗翼引腳，或在特別敏感的電路區(qū)域采用通孔器件。最后，在裝配過程結(jié)束前再增加一道有效的電路板清洗環(huán)節(jié)（通常采用超聲或皂化劑），無用的殘留幾乎就能全部清除。

設(shè)計人員在設(shè)計惡劣環(huán)境下工作的系統(tǒng)時，必須謹(jǐn)記熱管理要求。即使在用到高溫專用器件時，也應(yīng)考慮與其功耗相關(guān)的自熱效應(yīng)。例如，AD8229的保證工作溫度高達(dá)210°C，相當(dāng)于一個小輸出電流負(fù)載。由驅(qū)動高負(fù)載或永久故障條件（如輸出短路）造成的額外功耗會增加結(jié)溫，使其超過器件的最大額定值，大大降低放大器的工作壽命。請務(wù)必遵循推薦的散熱指南，并且注意電源調(diào)節(jié)器等鄰近熱源。

即使是高溫電阻，70°C以上時額定功率也會降低。應(yīng)特別注意目標(biāo)工作溫度時的電阻溫度額定值，尤其是在功耗相當(dāng)大的情況下。例如，假設(shè)額定值為200°C的電阻在190°C的環(huán)境溫度下工作，如果其因功耗產(chǎn)生的自熱為20°C，那么還是超過了額定值。

雖然許多無源器件可以承受高溫，但其結(jié)構(gòu)可能并不適合長期處于沖擊振動和高溫兼具的環(huán)境。此外，高溫電阻和電容制造商也明確規(guī)定了其在給定溫度下的工作壽命。使所有器件的工作壽命規(guī)格保持匹配對建立高度可靠的系統(tǒng)至關(guān)重要。最后，不要忘了，許多額定值達(dá)到高溫的器件可能需要降低額定值，以保持長久工作。

案例研究：繪制烤箱中的熱梯度

AD8229和ADXL206（雙軸加速度計）在輕便安全的高溫環(huán)境下工作，可作為高溫應(yīng)用中兩種適當(dāng)?shù)钠骷M(jìn)行演示。演示采用了一個小型電烤箱，帶有一個旋轉(zhuǎn)組件，上方裝有高溫PCB，且能夠連續(xù)工作?？鞠渲械募訜嵩挥陧敳扛浇?。這種設(shè)計會在烤箱內(nèi)產(chǎn)生較大的溫度梯度。旋轉(zhuǎn)機制用于同時測量溫度和位置的實驗之中。

AD8229負(fù)責(zé)調(diào)理來自K型熱電偶的信號，熱電偶在烤箱內(nèi)不斷旋轉(zhuǎn)。熱電偶探針伸出PCB約6英寸，目的是為了更好地測量烤箱溫度變化。同時，ADXL206負(fù)責(zé)測量旋轉(zhuǎn)角度。三個信號（溫度梯度、x軸加速度和y軸加速度）通過一個額定值達(dá)到高溫工作條件的滑環(huán)（旋轉(zhuǎn)連接器）來傳送?；h(huán)可以保持與非旋轉(zhuǎn)線纜的連接，線纜連接至烤箱外的數(shù)據(jù)采集電路板。由于“冷結(jié)點”位于烤箱內(nèi)部，可以采用附加熱電偶為內(nèi)部溫度提供靜態(tài)參考。AD8495熱電偶放大器（也位于烤箱外）采用其集成冷結(jié)補償來調(diào)理附加熱電偶的信號。

烤箱內(nèi)的電路板位于中心附近的旋轉(zhuǎn)組件上，該位置的溫度約為175°C。電路板結(jié)構(gòu)采用聚酰亞胺材料。銅層上的走線采用0.020英寸的最小寬度，以改進(jìn)銅與預(yù)浸材料的連接（圖14）。器件采用標(biāo)準(zhǔn)HMP焊料（5/93.5/1.5錫/鉛/銀）連接，并采用特氟龍鍍膜線連接電路板和滑環(huán)。

圖14.安裝器件的高溫PCB

所有的精密器件都采用通孔安裝。儀表放大器的增益通過一個25 ppm/°C的金屬薄膜電阻來設(shè)置。放大器在高增益下工作，因此，放大器到增益電阻的走線長度應(yīng)盡可能短，以將銅電阻降至最低(4000 ppm/°C TC)。熱電偶和放大器的接口位于電路板中心，目的是在旋轉(zhuǎn)時維持溫度穩(wěn)定。熱電偶引腳應(yīng)盡可能靠近，以消除結(jié)點上無用的熱電動勢效應(yīng)。

高溫鉭電容和C0G/NP0電容可對電源進(jìn)行去耦，并用作加速度計輸出的濾波器。

計算機處理四個不同來源的數(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。綜合上述各項測量結(jié)果即可繪制出溫度梯度（圖15）。分析結(jié)果顯示，溫度變化達(dá)到25°C。正如預(yù)期，最高溫在烤箱后壁頂部旁邊的加熱元件附近。由于存在自然對流，烤箱頂部是烤箱內(nèi)部第二熱的區(qū)域。最低溫在熱電偶與加熱元件位置相反時測得。

該實驗以簡化形式表明，在惡劣環(huán)境下工作時，記錄系統(tǒng)中集成的高溫器件如何提取有價值信息。

圖15.高溫演示圖

結(jié)論

許多（包括成熟與新興）應(yīng)用都需要能夠在極端高溫環(huán)境下工作的器件。過去，由于缺少額定值能夠在此類惡劣環(huán)境下工作的器件，設(shè)計這種可靠的系統(tǒng)十分困難。而現(xiàn)在，能夠在這些環(huán)境下工作的IC和支持器件都已出現(xiàn)，既節(jié)省了工程設(shè)計時間，又降低了失敗風(fēng)險。采用這種新技術(shù)并遵照高溫設(shè)計方法，就能使高性能系統(tǒng)在與之前可行環(huán)境相比更加極端的環(huán)境下可靠工作。
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Jeff Watson [jeffrey.watson@analog.com]是工業(yè)與儀器儀表部門的系統(tǒng)應(yīng)用工程師，致力于高溫應(yīng)用。加入ADI公司之前，他是地下石油和天然氣儀器儀表行業(yè)以及非公路用車儀器儀表/控制行業(yè)的一名設(shè)計工程師。他擁有賓州州立大學(xué)的電氣工程學(xué)士和碩士學(xué)位。

Gustavo Castro [gustavo.castro@analog.com]是馬薩諸塞州威明頓市精密信號調(diào)理部門的應(yīng)用工程師。2011年1月加入ADI公司之前，他曾經(jīng)從事數(shù)字萬用表及直流源等高精度儀器儀表設(shè)計工作達(dá)10年。2000年，他從墨西哥蒙特利技術(shù)學(xué)院獲得電子工程學(xué)士學(xué)位。他還擁有兩項專利。