【導讀】今年入夏以來(lái)，全球多個(gè)國家和地區都經(jīng)歷了罕見(jiàn)的高溫天氣。據媒體報道，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。對于許多行業(yè)電子設備來(lái)說(shuō)，它們則需要直面高溫乃至其他惡劣環(huán)境，而這對電子系統設計的方方面面提出了諸多挑戰。
航空航天、能源勘探、以及汽車(chē)等行業(yè)對內部設備耐高溫有著(zhù)嚴苛的需求，工作環(huán)境內的電子設備除了要面臨極端的高溫外，同時(shí)還需要確保系統具有長(cháng)期的高可靠性，盡可能小型化、輕量化。作為高性能半導體提供商里的佼佼者，ADI在高溫器件領(lǐng)域一直保持著(zhù)積極的引領(lǐng)地位。本文將圍繞高溫電子解決方案這一話(huà)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，襯底漏電流以指數方式增加以及器件參數隨溫度變化都會(huì )導致性能大打折扣。而諸如電子遷移等硅片級問(wèn)題以及線(xiàn)焊磨損等封裝級問(wèn)題也會(huì )損害可靠性。為了克服這些挑戰，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)行設計，并且經(jīng)認證可在高溫環(huán)境下工作。
隨著(zhù)溫度的升高，電流泄漏的影響會(huì )呈指數級增長(cháng)，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(lái)阻隔襯底中的寄生電流，通過(guò)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定。
除了采用硅工藝外，ADI專(zhuān)為HT塑料封裝打造的線(xiàn)焊工藝是在高溫環(huán)境中保證封裝可靠性的另一項助力技術(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(pán)表面，然后與金線(xiàn)一起實(shí)現精致的金屬焊接，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 規范的高溫運行壽命 (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，確保符合數據手冊技術(shù)規格。
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、基準電壓源、加速度計和溫度傳感器。除了上文提到的認證測試外，ADI還對產(chǎn)品進(jìn)行魯棒性測試（如閂鎖免疫）、MIL-STD-883 D組機械測試以及ESD測試，且高溫產(chǎn)品系列的可靠性報告可應要求提供。
應用剖析：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性的應用之一，油田服務(wù)公司必須設計出能承受極端壓力、沖擊和振動(dòng)的精密設備，同時(shí)該設備還需要具有較長(cháng)的電池使用壽命且尺寸極小。特別是隨著(zhù)地下易鉆探自然資源儲備的減少和技術(shù)進(jìn)步，行業(yè)的鉆探深度開(kāi)始加深，同時(shí)也開(kāi)始在地熱梯度較高的地區進(jìn)行鉆探，這些惡劣的地下井溫度超過(guò)200°C，主動(dòng)冷卻技術(shù)在這種惡劣環(huán)境下不太現實(shí)，被動(dòng)冷卻技術(shù)在發(fā)熱不限于電子設備時(shí)也不太有效，這對關(guān)聯(lián)的電子產(chǎn)品（例如鉆探設備狀態(tài)監測）設計帶來(lái)極大挑戰。
對于這些和其他惡劣環(huán)境條件下的應用，ADI提供專(zhuān)為極端溫度設計的產(chǎn)品，這些產(chǎn)品系列經(jīng)認證可在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)境中精密測量應用的重要性能標準。
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600 kSPS的逐次逼近型架構(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(jiǎn)化信號鏈
在井下鉆探儀器儀表應用中，需要對各種井下傳感器的信號進(jìn)行采樣，以便收集周?chē)牡刭|(zhì)構造數據。這些傳感器可能采用電極、線(xiàn)圈、壓電或其他傳感器的形式。加速度計、磁力計和陀螺儀提供有關(guān)鉆柱的傾斜、方位角、旋轉速率、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據，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，靈活的數字接口則允許在要求更苛刻的應用中進(jìn)行同步采樣，同時(shí)還允許對低引腳計數的系統進(jìn)行簡(jiǎn)單的菊花鏈回讀。
不僅是能源勘探，ADI高溫產(chǎn)品還廣泛應用在在航空航天和混合動(dòng)力汽車(chē)等行業(yè)。當前，航空業(yè)正日益向"多電子飛機"(MEA)的趨勢發(fā)展，該方案會(huì )導致發(fā)動(dòng)機附近的環(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(zhuān)門(mén)針對高溫工作環(huán)境而設計，并采用介質(zhì)隔離工藝，以避免高溫時(shí)產(chǎn)生漏電流，所選設計架構可以補償高溫時(shí)的低VBE電壓。
典型的汽車(chē)最高溫度范圍
和航空電子一樣，汽車(chē)行業(yè)也在從純機械和液壓系統向機電一體化系統轉變。這就需要有離熱源更近的定位傳感器、信號調理，以及控制電子設備。作為通過(guò)汽車(chē)應用認證的數字溫度傳感器，ADT7312可在−55°C至+175°C的極寬溫度范圍內工作。該器件含有一個(gè)內置帶隙基準電壓源、一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)16位模數轉換器(ADC)，用于監控溫度并進(jìn)行數字轉換。具有易于使用，低功耗，極佳的長(cháng)期穩定性和可靠性等特點(diǎn)。
小結
無(wú)論是在地下一英里處操縱油鉆還是對發(fā)動(dòng)機進(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(zhuān)門(mén)的高溫電子解決方案來(lái)保證性能和可靠性。ADI高溫產(chǎn)品不僅經(jīng)過(guò)高溫測試，而且還在半導體工藝、電路和版圖設計、封裝技術(shù)等方面專(zhuān)門(mén)針對高溫環(huán)境而設計，能幫助客戶(hù)降低風(fēng)險并縮短篩選IC的時(shí)間，從容應對高溫及其他惡劣環(huán)境條件下的應用行業(yè)。
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