【導(dǎo)讀】今年入夏以來，全球多個(gè)國家和地區(qū)都經(jīng)歷了罕見的高溫天氣。據(jù)媒體報(bào)道，美國拉斯維加斯更是創(chuàng)下46.6℃的日最高氣溫，打破了1943年創(chuàng)下的紀(jì)錄。面對炎炎夏日，普通大眾往往有“避暑三件套”——西瓜、WiFi和空調(diào)。對于許多行業(yè)電子設(shè)備來說，它們則需要直面高溫乃至其他惡劣環(huán)境，而這對電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方方面面提出了諸多挑戰(zhàn)。
航空航天、能源勘探、以及汽車等行業(yè)對內(nèi)部設(shè)備耐高溫有著嚴(yán)苛的需求，工作環(huán)境內(nèi)的電子設(shè)備除了要面臨極端的高溫外，同時(shí)還需要確保系統(tǒng)具有長期的高可靠性，盡可能小型化、輕量化。作為高性能半導(dǎo)體提供商里的佼佼者，ADI在高溫器件領(lǐng)域一直保持著積極的引領(lǐng)地位。本文將圍繞高溫電子解決方案這一話題，探討ADI針對惡劣環(huán)境條件下的產(chǎn)品、工藝、封裝和典型應(yīng)用。
工藝、封裝雙管齊下，解決極端溫度環(huán)境器件的可靠與性能
集成電路暴露于極端溫度環(huán)境下，其性能和可靠性會(huì)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(huì)導(dǎo)致性能大打折扣。而諸如電子遷移等硅片級問題以及線焊磨損等封裝級問題也會(huì)損害可靠性。為了克服這些挑戰(zhàn)，ADI的高溫產(chǎn)品系列特采用創(chuàng)新硅工藝、封裝和測試技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并且經(jīng)認(rèn)證可在高溫環(huán)境下工作。
隨著溫度的升高，電流泄漏的影響會(huì)呈指數(shù)級增長，進(jìn)而大大降低器件的性能。ADI 的多款HT（High Temperature）產(chǎn)品中都采用了自主研發(fā)的絕緣硅片 (SOI) 雙極性工藝硅技術(shù)，該工藝使用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。
除了采用硅工藝外，ADI專為HT塑料封裝打造的線焊工藝是在高溫環(huán)境中保證封裝可靠性的另一項(xiàng)助力技術(shù)。ADI的HT塑料封裝多加了一道鎳鈀金金屬化工序，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。值得一提的是，ADI所有HT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。
ADI部分耐高溫集成電路產(chǎn)品
上圖展示的部分ADI高溫產(chǎn)品，囊括了放大器、基準(zhǔn)電壓源、加速度計(jì)和溫度傳感器。除了上文提到的認(rèn)證測試外，ADI還對產(chǎn)品進(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，且高溫產(chǎn)品系列的可靠性報(bào)告可應(yīng)要求提供。
應(yīng)用剖析：勝任井下鉆探儀器儀，AD7981是如何做到的？
眾所周知，井下鉆探是世界上最具挑戰(zhàn)性的應(yīng)用之一，油田服務(wù)公司必須設(shè)計(jì)出能承受極端壓力、沖擊和振動(dòng)的精密設(shè)備，同時(shí)該設(shè)備還需要具有較長的電池使用壽命且尺寸極小。特別是隨著地下易鉆探自然資源儲(chǔ)備的減少和技術(shù)進(jìn)步，行業(yè)的鉆探深度開始加深，同時(shí)也開始在地?zé)崽荻容^高的地區(qū)進(jìn)行鉆探，這些惡劣的地下井溫度超過200°C，主動(dòng)冷卻技術(shù)在這種惡劣環(huán)境下不太現(xiàn)實(shí)，被動(dòng)冷卻技術(shù)在發(fā)熱不限于電子設(shè)備時(shí)也不太有效，這對關(guān)聯(lián)的電子產(chǎn)品（例如鉆探設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測）設(shè)計(jì)帶來極大挑戰(zhàn)。
對于這些和其他惡劣環(huán)境條件下的應(yīng)用，ADI提供專為極端溫度設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品系列經(jīng)認(rèn)證可在175°C至210°C高溫環(huán)境下工作。例如ADI高溫產(chǎn)品AD7981非常符合井下鉆探的惡劣高溫環(huán)境中精密測量應(yīng)用的重要性能標(biāo)準(zhǔn)。
AD7981是ADI公司推出的一款16位、低功耗、單電源ADC，采用采樣速率高達(dá)600 kSPS的逐次逼近型架構(gòu)(SAR)。其采用單電源VDD供電，功耗較低。它是高吞吐速率、高精度、耐高溫、逐次逼近型寄存器(SAR) 的ADC，采用小型封裝，提供多功能串行端口接口(SPI)。此外，還對采集電路進(jìn)行了優(yōu)化，以提高高溫環(huán)境下的精度。
井下鉆探儀器儀表的簡化信號鏈
在井下鉆探儀器儀表應(yīng)用中，需要對各種井下傳感器的信號進(jìn)行采樣，以便收集周圍的地質(zhì)構(gòu)造數(shù)據(jù)。這些傳感器可能采用電極、線圈、壓電或其他傳感器的形式。加速度計(jì)、磁力計(jì)和陀螺儀提供有關(guān)鉆柱的傾斜、方位角、旋轉(zhuǎn)速率、沖擊和振動(dòng)的信息。AD7981能夠從具有不同帶寬要求的傳感器采樣數(shù)據(jù)，同時(shí)保持功效。小尺寸使其可以輕松地在空間受限的布局中容納多個(gè)通道，如井下鉆探工具中常用的極窄電路板寬度。此外，靈活的數(shù)字接口則允許在要求更苛刻的應(yīng)用中進(jìn)行同步采樣，同時(shí)還允許對低引腳計(jì)數(shù)的系統(tǒng)進(jìn)行簡單的菊花鏈回讀。
不僅是能源勘探，ADI高溫產(chǎn)品還廣泛應(yīng)用在在航空航天和混合動(dòng)力汽車等行業(yè)。當(dāng)前，航空業(yè)正日益向"多電子飛機(jī)"(MEA)的趨勢發(fā)展，該方案會(huì)導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)附近的環(huán)境溫度會(huì)上升（–55°C至+200°C）。AD8229是一款面向航空航天的超低噪聲儀表放大器，殼用于在大共模電壓和高溫情況下測量小信號。該產(chǎn)品專門針對高溫工作環(huán)境而設(shè)計(jì)，并采用介質(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。
典型的汽車最高溫度范圍
和航空電子一樣，汽車行業(yè)也在從純機(jī)械和液壓系統(tǒng)向機(jī)電一體化系統(tǒng)轉(zhuǎn)變。這就需要有離熱源更近的定位傳感器、信號調(diào)理，以及控制電子設(shè)備。作為通過汽車應(yīng)用認(rèn)證的數(shù)字溫度傳感器，ADT7312可在−55°C至+175°C的極寬溫度范圍內(nèi)工作。該器件含有一個(gè)內(nèi)置帶隙基準(zhǔn)電壓源、一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)16位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，用于監(jiān)控溫度并進(jìn)行數(shù)字轉(zhuǎn)換。具有易于使用，低功耗，極佳的長期穩(wěn)定性和可靠性等特點(diǎn)。
小結(jié)
無論是在地下一英里處操縱油鉆還是對發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行精密測量，都需要在接近極端溫度的環(huán)境下作業(yè)，因此需要借助專門的高溫電子解決方案來保證性能和可靠性。ADI高溫產(chǎn)品不僅經(jīng)過高溫測試，而且還在半導(dǎo)體工藝、電路和版圖設(shè)計(jì)、封裝技術(shù)等方面專門針對高溫環(huán)境而設(shè)計(jì)，能幫助客戶降低風(fēng)險(xiǎn)并縮短篩選IC的時(shí)間，從容應(yīng)對高溫及其他惡劣環(huán)境條件下的應(yīng)用行業(yè)。
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