【专家讲堂】当环境温度超过额定温度怎么办?

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【专家讲堂】当环境温度超过额定温度怎么办?

前面我们曾聊到那些工程师面对的真正高温应用。据了解,由于无法获得更高而定温度范围的IC,一些高温电子设备的设计师被迫使用环境温度远高于额定规格的标准温度器件。遇到这种情况应该怎么处理呢?

虽然有些标准温度的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……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。然而,这一过程却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。

如何解决以上种种问题?幸运的是,凭借新的的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。虽然标准硅可以在125°C以上的军用温度要求下正常工作,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1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。

体硅与SOI的结点泄露机制对比

图1.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的性能和可靠性哦~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。

在高温下将芯片连接至PCB绝非易事,怎么办?敬请期待我们后续内容。

本文转自:ANALOG DENICES 中文技术论坛

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