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2019全景工博会
电子元件

突破极端温度界限,耐超高温器件背后的独特工艺技术分析

  2019年10月15日  

  先列一组数据:

  地下钻探作业温度超过200℃。

  飞机发动机附近温度在–55℃至+200℃。

  汽车电机变速箱附近温度150℃至200℃。

  ......

  还记得前些日子刷遍各大媒体的页岩气吗?号称能够“终结石油时代”的新能源,其开采深度在3km-6km,而常见的煤层气仅在2km左右。不难看出随着能源需求越来越大,开采行业的钻探深度开始加深。这也给用于该领域的仪器仪表带来了更高的挑战——高温等恶劣环境。有些地下井温度甚至超过200°C,压力超过25 kpsi。也不仅是地下勘探,越来越多的行业需要能够在极端高温等环境下可靠工作的电子设备。比如航天与汽车行业正在不断智能化,发动机的负荷变高,周遭的高温环境是必不可少的。在这种恶劣环境下,考虑到成本与体积的问题,主动被动冷却技术都不太现实。

  过去,石油和天然气等行业的高温电子设备设计师只能使用远高于额定规格的标准温度器件。但是,大多集成电路都采用标准设计,其最高工作温度通常仅规定为125°C。如果将这类集成电路暴露于极端温度环境下,其性能和可靠性往往还会受许多因素的影响而有所降低。例如,衬底漏电流以指数方式增加以及器件参数随温度变化都会导致性能大打折扣。有些标准温度的IC确实能在高温下工作,但是在选定可用器件之后还需要进行一系列的性能测试以保证其可靠性,实际使用起来非常困难,并且十分危险。对此,ADI公司发展了独特能力提供专门针对极端温度而设计的解决方案。

  ADI的应用工程师利用微波炉加温来测试高温下仪表放大器和加速度计的工作特性。

创新硅工艺,搞定衬底电流泄漏

  众所周知,要想在高温条件下顺利工作,其中的重要挑战就是衬底漏电流上升而产生的包括载流子迁移率、下降、VT, β 和 VSAT 等器件参数变化,以及金属互连电子迁移增加,电介质击穿强度下降等等。对此ADI公司自主研发的绝缘硅片(SOI)双极性工艺硅技术解决了这一难题。SOI工艺使用SiO2绝缘电介质层来阻隔衬底中的寄生电流。通过消除这种寄生泄漏路径,即使在非常高的温度环境中,也能够使器件性能保持稳定。我们对比一下采用普通结隔离(JI)双极性工艺与SOI工艺的典型NPN晶体管。JI工艺图中的箭头指出了器件内电流泄漏的路径,以及电流泄漏到衬底的寄生路径(黑色箭头)。

  这其中代表产品仪表放大器AD8229,专门针对高温工作环境而设计非常适用于地下钻探作业,采用介质隔离工艺,以避免高温时产生漏电流。所选设计架构可以补偿高温时的低VBE电压。尤为擅长测量微小信号,可提供业界领先的1 nV/√Hz输入噪声性能。此外AD8229具有高共模抑制比(CMRR),可防止干扰信号破坏数据采集。CMRR随着增益提高而提高,能够在最需要的时候提供高抑制性能。并且AD8229还是目前最快的仪表放大器之一。采用电流反馈型架构,能够在高增益时提供高带宽,比如G = 100时,带宽为1.2 MHz。该架构设计中还包括用于改善输入瞬变大信号的建立时间的电路。

  不仅如此,由于AD8229出色的失真性能,在振动分析等要求苛刻的应用中一样游刃有余。对于要求最严格的应用,AD8229提供8引脚侧面钎焊陶瓷双列直插式封装(SBDIP)。对于空间受限的应用,AD8229提供8引脚标准塑封小型封装(SOIC)。

高级封装技术抬给器件一个耐高温的可靠“外衣”

  然而对高温功能化硅的采用只相当于完成了一半的工作,封装完整性才是高温器件的瓶颈。芯片粘着材料可以确保将硅连接至封装或基板。许多在标准温度范围能够稳定使用的材料都具有较低的玻璃化转变温度(TG),不适合在高温下工作。

  为了保证封装的可靠性,ADI打造了专为高温塑料封装的线焊工艺,线焊是芯片和引脚互连的一种方法,这种方法是在芯片表面上从引脚架构至焊盘用金属线连接。而普通的金/铝线焊将随着温度的升高而退化,形成含空隙的易碎金属间化合物,削弱焊接强度,整个过程可能只需要几百个小时。ADI为HT塑料封装多加了一道镍钯金金属化工序(以覆盖的形式显示),以获得金焊盘表面,然后与金线一起实现精致的金属焊接,从而避免形成金属间化合物。下图显示了使用该项技术所获得的可靠性提升——在高温环境中,标准金/铝焊接在500小时后便会出现明显的空隙并形成金属间化合物,而采用镍钯金金属化工艺的焊接在6000多小时后依然完好无损。

  195°C下500小时后的金/铝焊接

  195℃下6000小时后加装镍钯金隔离的金/金线焊

  除了焊接材料,封装也必须能够承受恶劣环境下施加的应力,ADI提出在高温应用时当然是选用密封陶瓷封装。密封可以防止导致腐蚀的湿气和污染进入。遗憾的是,密封封装通常较大较重,且价格比同类塑料封装贵得多。而在极端温度要求(< 175°C)较少的应用中,最好采用塑料封装,可以减少PCB面积、降低成本,或是提供更好的振动顺应性。对需要采用密封封装和高器件密度的系统而言,高温多芯片模块是一种比较合理的解决方案。对此,ADI公司已经有了合格的产品输出——ADXL206。

  ADXL206是一款精密、低功耗、完整的双轴iMEMS®加速度计,提供13 mm × 8 mm × 2 mm、8引脚侧面钎焊陶瓷双列直插式封装(SBDIP),适用于高温环境例如井下钻探。这款加速度计将传感器和经信号调理的电压输出集成在一个单片IC上。满量程加速度测量范围为±5 g,既可以测量动态加速度(例如振动),也可以测量静态加速度(例如重力)。典型本底噪声为110 μg/√Hz,因而在倾斜检测应用中,可以利用窄带宽(<60 Hz)解析1 mg(0.06°倾斜)以下的信号。用户使用XOUT和YOUT引脚上的电容 CX 和 CY 选择该加速度计的带宽。根据应用需要,可以选择0.5 Hz至2.5 kHz范围内的带宽。

结语

  除了上述的硅工艺与封装技术,ADI的高温产品均符合JEDEC JESD22‐A108规范的高温运行寿命(HTOL)测试。每款产品都有至少三个批次需要在最高温度下进行最少1000小时的测试,确保符合数据手册技术规格。除了上述这类和其他认证测试之外,还将进行鲁棒性测试(如闩锁免疫)、MIL-STD-883 D组机械测试以及ESD测试。

标签:ADI我要反馈
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