【導讀】今年入夏以來，全球多個國家和地區(qū)都經歷了罕見的高溫天氣。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)設計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)對內部設備耐高溫有著嚴苛的需求，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。作為高性能半導體提供商里的佼佼者，ADI在高溫器件領域一直保持著積極的引領地位。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導致性能大打折扣。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損害可靠性。為了克服這些挑戰(zhàn)，ADI的高溫產品系列特采用創(chuàng)新硅工藝、封裝和測試技術進行設計，并且經認證可在高溫環(huán)境下工作。
隨著溫度的升高，電流泄漏的影響會呈指數級增長，進而大大降低器件的性能。ADI 的多款HT（High Temperature）產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，該工藝使用SiO2絕緣電介質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助力技術。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產品均符合JEDEC JESD22‐A108 規(guī)范的高溫運行壽命 (HTOL) 測試。每款產品都有至少三個批次需要在最高溫度下進行最少1000小時的測試，確保符合數據手冊技術規(guī)格。
ADI部分耐高溫集成電路產品
上圖展示的部分ADI高溫產品，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還對產品進行魯棒性測試（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(zhàn)性的應用之一，油田服務公司必須設計出能承受極端壓力、沖擊和振動的精密設備，同時該設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備的減少和技術進步，行業(yè)的鉆探深度開始加深，同時也開始在地熱梯度較高的地區(qū)進行鉆探，這些惡劣的地下井溫度超過200°C，主動冷卻技術在這種惡劣環(huán)境下不太現實，被動冷卻技術在發(fā)熱不限于電子設備時也不太有效，這對關聯(lián)的電子產品（例如鉆探設備狀態(tài)監(jiān)測）設計帶來極大挑戰(zhàn)。
對于這些和其他惡劣環(huán)境條件下的應用，ADI提供專為極端溫度設計的產品，這些產品系列經認證可在175°C至210°C高溫環(huán)境下工作。例如ADI高溫產品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用中，需要對各種井下傳感器的信號進行采樣，以便收集周圍的地質構造數據。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、磁力計和陀螺儀提供有關鉆柱的傾斜、方位角、旋轉速率、沖擊和振動的信息。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行同步采樣，同時還允許對低引腳計數的系統(tǒng)進行簡單的菊花鏈回讀。
不僅是能源勘探，ADI高溫產品還廣泛應用在在航空航天和混合動力汽車等行業(yè)。當前，航空業(yè)正日益向"多電子飛機"(MEA)的趨勢發(fā)展，該方案會導致發(fā)動機附近的環(huán)境溫度會上升（–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。該產品專門針對高溫工作環(huán)境而設計，并采用介質隔離工藝，以避免高溫時產生漏電流，所選設計架構可以補償高溫時的低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)也在從純機械和液壓系統(tǒng)向機電一體化系統(tǒng)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。作為通過汽車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。該器件含有一個內置帶隙基準電壓源、一個溫度傳感器和一個16位模數轉換器(ADC)，用于監(jiān)控溫度并進行數字轉換。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。
小結
無論是在地下一英里處操縱油鉆還是對發(fā)動機進行精密測量，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高溫產品不僅經過高溫測試，而且還在半導體工藝、電路和版圖設計、封裝技術等方面專門針對高溫環(huán)境而設計，能幫助客戶降低風險并縮短篩選IC的時間，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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