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突破極端溫度界限,耐超高溫器件背后的獨特工藝技術分析

2025China.cn   2019年10月15日

  先列一組數據:

  地下鉆探作業溫度超過200℃。

  飛機發動機附近溫度在–55℃至+200℃。

  汽車電機變速箱附近溫度150℃至200℃。

  ......

  還記得前些日子刷遍各大媒體的頁巖氣嗎?號稱能夠“終結石油時代”的新能源,其開采深度在3km-6km,而常見的煤層氣僅在2km左右。不難看出隨著能源需求越來越大,開采行業的鉆探深度開始加深。這也給用于該領域的儀器儀表帶來了更高的挑戰——高溫等惡劣環境。有些地下井溫度甚至超過200°C,壓力超過25 kpsi。也不僅是地下勘探,越來越多的行業需要能夠在極端高溫等環境下可靠工作的電子設備。比如航天與汽車行業正在不斷智能化,發動機的負荷變高,周遭的高溫環境是必不可少的。在這種惡劣環境下,考慮到成本與體積的問題,主動被動冷卻技術都不太現實。

  過去,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。但是,大多集成電路都采用標準設計,其最高工作溫度通常僅規定為125°C。如果將這類集成電路暴露于極端溫度環境下,其性能和可靠性往往還會受許多因素的影響而有所降低。例如,襯底漏電流以指數方式增加以及器件參數隨溫度變化都會導致性能大打折扣。有些標準溫度的IC確實能在高溫下工作,但是在選定可用器件之后還需要進行一系列的性能測試以保證其可靠性,實際使用起來非常困難,并且十分危險。對此,ADI公司發展了獨特能力提供專門針對極端溫度而設計的解決方案。

  ADI的應用工程師利用微波爐加溫來測試高溫下儀表放大器和加速度計的工作特性。https://www.analog.com/cn/products/adxl206.html#product-reference

創新硅工藝,搞定襯底電流泄漏

  眾所周知,要想在高溫條件下順利工作,其中的重要挑戰就是襯底漏電流上升而產生的包括載流子遷移率、下降、VT, β 和 VSAT 等器件參數變化,以及金屬互連電子遷移增加,電介質擊穿強度下降等等。對此ADI公司自主研發的絕緣硅片(SOI)雙極性工藝硅技術解決了這一難題。SOI工藝使用SiO2絕緣電介質層來阻隔襯底中的寄生電流。通過消除這種寄生泄漏路徑,即使在非常高的溫度環境中,也能夠使器件性能保持穩定。我們對比一下采用普通結隔離(JI)雙極性工藝與SOI工藝的典型NPN晶體管。JI工藝圖中的箭頭指出了器件內電流泄漏的路徑,以及電流泄漏到襯底的寄生路徑(黑色箭頭)。

  這其中代表產品儀表放大器AD8229,專門針對高溫工作環境而設計非常適用于地下鉆探作業,采用介質隔離工藝,以避免高溫時產生漏電流。所選設計架構可以補償高溫時的低VBE電壓。尤為擅長測量微小信號,可提供業界領先的1 nV/√Hz輸入噪聲性能。此外AD8229具有高共模抑制比(CMRR),可防止干擾信號破壞數據采集。CMRR隨著增益提高而提高,能夠在最需要的時候提供高抑制性能。并且AD8229還是目前最快的儀表放大器之一。采用電流反饋型架構,能夠在高增益時提供高帶寬,比如G = 100時,帶寬為1.2 MHz。該架構設計中還包括用于改善輸入瞬變大信號的建立時間的電路。

  不僅如此,由于AD8229出色的失真性能,在振動分析等要求苛刻的應用中一樣游刃有余。對于要求最嚴格的應用,AD8229提供8引腳側面釬焊陶瓷雙列直插式封裝(SBDIP)。對于空間受限的應用,AD8229提供8引腳標準塑封小型封裝(SOIC)。

高級封裝技術抬給器件一個耐高溫的可靠“外衣”

  然而對高溫功能化硅的采用只相當于完成了一半的工作,封裝完整性才是高溫器件的瓶頸。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。

  為了保證封裝的可靠性,ADI打造了專為高溫塑料封裝的線焊工藝,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至焊盤用金屬線連接。而普通的金/鋁線焊將隨著溫度的升高而退化,形成含空隙的易碎金屬間化合物,削弱焊接強度,整個過程可能只需要幾百個小時。ADI為HT塑料封裝多加了一道鎳鈀金金屬化工序(以覆蓋的形式顯示),以獲得金焊盤表面,然后與金線一起實現精致的金屬焊接,從而避免形成金屬間化合物。下圖顯示了使用該項技術所獲得的可靠性提升——在高溫環境中,標準金/鋁焊接在500小時后便會出現明顯的空隙并形成金屬間化合物,而采用鎳鈀金金屬化工藝的焊接在6000多小時后依然完好無損。

  195°C下500小時后的金/鋁焊接

195℃下6000小時后加裝鎳鈀金隔離的金/金線焊

  除了焊接材料,封裝也必須能夠承受惡劣環境下施加的應力,ADI提出在高溫應用時當然是選用密封陶瓷封裝。密封可以防止導致腐蝕的濕氣和污染進入。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。而在極端溫度要求(< 175°C)較少的應用中,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性。對需要采用密封封裝和高器件密度的系統而言,高溫多芯片模塊是一種比較合理的解決方案。對此,ADI公司已經有了合格的產品輸出——ADXL206。

  ADXL206是一款精密、低功耗、完整的雙軸iMEMS?加速度計,提供13 mm × 8 mm × 2 mm、8引腳側面釬焊陶瓷雙列直插式封裝(SBDIP),適用于高溫環境例如井下鉆探。這款加速度計將傳感器和經信號調理的電壓輸出集成在一個單片IC上。滿量程加速度測量范圍為±5 g,既可以測量動態加速度(例如振動),也可以測量靜態加速度(例如重力)。典型本底噪聲為110 μg/√Hz,因而在傾斜檢測應用中,可以利用窄帶寬(<60 Hz)解析1 mg(0.06°傾斜)以下的信號。用戶使用XOUT和YOUT引腳上的電容 CX 和 CY 選擇該加速度計的帶寬。根據應用需要,可以選擇0.5 Hz至2.5 kHz范圍內的帶寬。

結語

  除了上述的硅工藝與封裝技術,ADI的高溫產品均符合JEDEC JESD22‐A108規范的高溫運行壽命(HTOL)測試。每款產品都有至少三個批次需要在最高溫度下進行最少1000小時的測試,確保符合數據手冊技術規格。除了上述這類和其他認證測試之外,還將進行魯棒性測試(如閂鎖免疫)、MIL-STD-883 D組機械測試以及ESD測試

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