高温电子设备对设计和可靠性带来挑战

简介
许多行业都需要能够在极端高温等恶劣环境下可靠工作的电子设备。依照传统做法，在设计需要在常温范围之外工作的电子设备时，工程师必须采用主动或被动冷却技术，但某些应用可能无法进行冷却，或是电子设备在高温下工作时更为有利，可提升系统可靠性或降低成本。这便提出了影响电子系统方方面面的诸多挑战，包括硅、封装、认证方法和设计技术。

高温应用

最古老以及目前最大的高温电子设备(>150°C)应用领域是地下石油和天然气行业（图1）。在该应用中，工作温度和地下井深成函数关系。全球地热梯度一般为25°C/km深度，某些地区更大。

图1.地下钻探作业

过去，钻探作业最高在150°C至175°C的温度范围内进行，然而，由于地下易钻探自然资源储备的减少和技术进步，行业的钻探深度开始加深，同时也开始在地热梯度较高的地区进行钻探。这些恶劣的地下井温度超过200°C，压力超过25 kpsi。主动冷却技术在这种恶劣环境下不太现实，被动冷却技术在发热不限于电子设备时也不太有效。

地下钻探行业中高温电子设备的应用十分复杂。首先，在钻探作业过程中，电子设备和传感器会引导钻探设备并监控其状态是否正常。随着定向钻探技术的出现，高温地质导向仪器必须将钻孔位置精确引导至地质目标。

钻孔时或钻孔刚结束时，精密的井下仪器会收集周围的地质构造数据。这种做法称为测井可以测量电阻率、放射性、声音传播时间、磁共振和其他属性，以便确定地质构造特性，如岩性、孔隙度、渗透率，以及水/烃饱和度。通过这些数据，地质学家可以从构造上对岩石类型进行判断，还可以判断存在的流体类型及其位置，以及含流体区域能否提取出足够数量的碳氢化合物。

最后，在完成和生产阶段，电子系统会监控压力、温度、振动和多相位流动，并主动控制阀门。要满足这些需求，需要有一个完整的高性能元件信号链（图2）。系统可靠性是最重要的因素，因为设备故障会造成极高的停机成本。在地下数英里作业的钻柱如果出现电子组件故障，需要一天以上的时间来检修及更换，操作复杂深水海上钻井平台每天大约需要花费100万美元！

图2.简化测井仪器信号链

其他应用领域:除了石油和天然气行业外，航空电子等其他应用对高温电子器件的需求也日渐增多。如今，航空业正日益向“多电子飞机”(MEA)的趋势发展。这一方案一方面是为了用分布式控制系统取代传统集中式发动机控制器。1集中式控制需要采用由数百个导体和多个连接器接口组成的庞大重型线束。分布式控制方案则将发动机控制系统放置在离发动机较近的地方（图3），将互连的复杂性降低了10倍，使飞机的重量减轻了数百磅，2同时增加了系统可靠性（估计值在某种程度上与连接器引脚数成函数关系（根据MIL-HDBK-217F计）3

图3.安装在飞机发动机上的控制系统

但是，代价是发动机附近的环境温度会上升（–55°C至+200°C）。虽然该应用中电子设备可以进行冷却，但依然会产生不利影响，原因有二：首先，冷却会增加飞机的成本和重量，其次（也是最重要的一点），冷却系统故障会导致控制关键系统的电子设备出现故障。

MEA方案另一方面是要用电力电子和电子控制取代液压系统，以提升可靠性，减少维护成本。理想状态下，控制电子设备必须离执行器很近，这也会产生较高的环境温度。

汽车业提供了采用高温电子设备的另一种新兴应用。和航空电子一样，汽车业也在从纯机械和液压系统向机电一体化系统转变。4这就需要有离热源更近的定位传感器、信号调理，以及控制电子设备。
最高温度和暴露时间依车辆类型和车辆中电子器件的位置而定（图4）。例如，高集成的电气和机械系统（如变速箱配置和变速箱控制器），可以简化汽车子系统的生产、测试和维护过程。5电气车辆和混合电动车需要高能量密度的电子设备，用作转换器，电机控制，充电电路这些和高温相关的部分。

图4.典型的汽车最高温度范围5

使用超出数据手册温度规格的IC

过去，由于无法获得高温IC，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。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。例如，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。器件的性能和寿命经常会大幅递减。这一过程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