先列一組數(shù)據(jù)：
地下鉆探作業(yè)溫度超過200℃。
飛機(jī)發(fā)動機(jī)附近溫度在–55℃至+200℃。
汽車電機(jī)變速箱附近溫度150℃至200℃。
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還記得前些日子刷遍各大媒體的頁巖氣嗎?號稱能夠“終結(jié)石油時(shí)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(yè)的鉆探深度開始加深。這也給用于該領(lǐng)域的儀器儀表帶來了更高的挑戰(zhàn)——高溫等惡劣環(huán)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(yè)需要能夠在極端高溫等環(huán)境下可靠工作的電子設(shè)備。比如航天與汽車行業(yè)正在不斷智能化，發(fā)動機(jī)的負(fù)荷變高，周遭的高溫環(huán)境是必不可少的。在這種惡劣環(huán)境下，考慮到成本與體積的問題，主動被動冷卻技術(shù)都不太現(xiàn)實(shí)。
過去，石油和天然氣等行業(yè)的高溫電子設(shè)備設(shè)計(jì)師只能使用遠(yuǎn)高于額定規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)溫度器件。但是，大多集成電路都采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，其最高工作溫度通常僅規(guī)定為125°C。如果將這類集成電路暴露于極端溫度環(huán)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(shù)方式增加以及器件參數(shù)隨溫度變化都會導(dǎo)致性能大打折扣。有些標(biāo)準(zhǔn)溫度的IC確實(shí)能在高溫下工作，但是在選定可用器件之后還需要進(jìn)行一系列的性能測試以保證其可靠性，實(shí)際使用起來非常困難，并且十分危險(xiǎn)。對此，ADI公司發(fā)展了獨(dú)特能力提供專門針對極端溫度而設(shè)計(jì)的解決方案。
ADI的應(yīng)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(jì)的工作特性。https://www.analog.com/cn/products/adxl206.html#product-reference
創(chuàng)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(zhàn)就是襯底漏電流上升而產(chǎn)生的包括載流子遷移率、下降、VT, β 和 VSAT 等器件參數(shù)變化，以及金屬互連電子遷移增加，電介質(zhì)擊穿強(qiáng)度下降等等。對此ADI公司自主研發(fā)的絕緣硅片(SOI)雙極性工藝硅技術(shù)解決了這一難題。SOI工藝使用SiO2絕緣電介質(zhì)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(huán)境中，也能夠使器件性能保持穩(wěn)定。我們對比一下采用普通結(jié)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(nèi)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(chǎn)品儀表放大器AD8229，專門針對高溫工作環(huán)境而設(shè)計(jì)非常適用于地下鉆探作業(yè)，采用介質(zhì)隔離工藝，以避免高溫時(shí)產(chǎn)生漏電流。所選設(shè)計(jì)架構(gòu)可以補(bǔ)償高溫時(shí)的低VBE電壓。尤為擅長測量微小信號，可提供業(yè)界領(lǐng)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(shù)據(jù)采集。CMRR隨著增益提高而提高，能夠在最需要的時(shí)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(gòu)，能夠在高增益時(shí)提供高帶寬，比如G = 100時(shí)，帶寬為1.2 MHz。該架構(gòu)設(shè)計(jì)中還包括用于改善輸入瞬變大信號的建立時(shí)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(yīng)用中一樣游刃有余。對于要求最嚴(yán)格的應(yīng)用，AD8229提供8引腳側(cè)面釬焊陶瓷雙列直插式封裝(SBDIP)。對于空間受限的應(yīng)用，AD8229提供8引腳標(biāo)準(zhǔn)塑封小型封裝(SOIC)。
高級封裝技術(shù)抬給器件一個(gè)耐高溫的可靠“外衣”
然而對高溫功能化硅的采用只相當(dāng)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(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。
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(gòu)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(qiáng)度，整個(gè)過程可能只需要幾百個(gè)小時(shí)。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(shí)現(xiàn)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(xiàng)技術(shù)所獲得的可靠性提升——在高溫環(huán)境中，標(biāo)準(zhǔn)金/鋁焊接在500小時(shí)后便會出現(xiàn)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(shí)后依然完好無損。
195°C下500小時(shí)后的金/鋁焊接
195℃下6000小時(shí)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(huán)境下施加的應(yīng)力，ADI提出在高溫應(yīng)用時(shí)當(dāng)然是選用密封陶瓷封裝。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(jià)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(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。對此，ADI公司已經(jīng)有了合格的產(chǎn)品輸出——ADXL206。
ADXL206是一款精密、低功耗、完整的雙軸iMEMS?加速度計(jì)，提供13 mm × 8 mm × 2 mm、8引腳側(cè)面釬焊陶瓷雙列直插式封裝(SBDIP)，適用于高溫環(huán)境例如井下鉆探。這款加速度計(jì)將傳感器和經(jīng)信號調(diào)理的電壓輸出集成在一個(gè)單片IC上。滿量程加速度測量范圍為±5 g，既可以測量動態(tài)加速度(例如振動)，也可以測量靜態(tài)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(yīng)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(jì)的帶寬。根據(jù)應(yīng)用需要，可以選擇0.5 Hz至2.5 kHz范圍內(nèi)的帶寬。
結(jié)語
除了上述的硅工藝與封裝技術(shù)，ADI的高溫產(chǎn)品均符合JEDEC JESD22‐A108規(guī)范的高溫運(yùn)行壽命(HTOL)測試。每款產(chǎn)品都有至少三個(gè)批次需要在最高溫度下進(jìn)行最少1000小時(shí)的測試，確保符合數(shù)據(jù)手冊技術(shù)規(guī)格。除了上述這類和其他認(rèn)證測試之外，還將進(jìn)行魯棒性測試(如閂鎖免疫)、MIL-STD-883 D組機(jī)械測試以及ESD測試
（轉(zhuǎn)載）
