高温电子设备对设计和可靠性带来挑战

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。

针对高温设计并通过认证的IC

幸运的是，凭借最近的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。6虽然标准硅可以在125°C以上的军用温度要求下正常工作，7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5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。

图5.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公司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。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。
封装考虑因素

高温功能化硅的采用只相当于完成了一半的工作。在高温下进行芯片封装并将其连接至PCB绝非易事。高温时许多因素都会影响封装完整性（图6）。

图6.IC封装和贴装元件

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。对芯片、芯片粘着材料和基板的热膨胀系数(CTE)进行匹配时需要特别注意，以防止芯片在宽温度范围内反复工作时受到应力或断裂。芯片上即便受到少量的机械应力，也可能会导致电气参数发生变化，达到精密应用不可接受的水平。对于需要采用热连接和电气连接连接至封装基板的功率器件，可能需要使用金属芯片粘着材料。

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。对高温下的线焊可靠性而言，线所用金属与焊盘金属化层的兼容性是一大问题。由于焊接金属兼容性差产生的故障有两方面，一方面是边界接口的金属间化合物 (IMC)生长，这会导致焊接易碎；另一方面是扩散（柯肯达尔效应），这会在接口处产生空洞，减小焊接强度并增加其电阻。遗憾的是，业界最常见的金属组合之一（金线和铝焊盘金属化层）在高温时就容易产生上述现象。图7是金/铝焊接的剖面图，该图显示了IMC的生长情