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熱油試驗箱高溫電子裝置對設計和可靠性的影響

釋出時間↟▩│: 2019-09-02  點選次數↟▩│: 1001次

熱油試驗箱 技術引數:

型號

SE-EN6033

SE-EN5033

工作室容積(L )

2.6

 4.5

試料和尺寸(cm)

1.2×1.2×1.8

 1.5×1.5×2

液槽內尺寸(cm)

195×108×155

260×128×195

高溫液槽溫度範圍

+70℃~+300℃

低溫液槽溫度範圍

-80℃~0℃

液態衝擊溫度

-65℃~0℃/+70℃+280℃

液槽轉換時間

≤10s

控制點溫度恢復時間

≤5min

溫度波動度

±0.5℃~±1.0

溫度均勻度

±0.5℃~±2.0

溫度偏差

±0.5℃~±2.0

工作方式

自動機械懸架上下左右移動至高低溫液槽

外殼材料

電解板噴粉

內膽材料

SUS316

保溫材料

聚胺脂泡沫

製冷機組

 半封閉製冷機組

冷卻方式

水冷

安全裝置

超溫保護  壓縮機缺油/超壓/超載保護  風機超載保護  電源故障保護  加熱器短路保護

選配件

遠端監控計算機及軟體  印表機  增加的擱板  特殊的試樣架

液態衝擊試驗箱執行標準

GJB 150-86 GB 2423-22 MIL-STD-883 MIL-STD-202F

許多行業都需要能夠在高溫等惡劣環境下可靠工作的電子裝置↟│·│。依照傳統做法╃·•│↟,在設計需要在常溫範圍之外工作的電子裝置時╃·•│↟,工程師必須採用主動或被動冷卻技術╃·•│↟,但某些應用可能無法進行冷卻╃·•│↟,或是電子裝置在高溫下工作時更為有利╃·•│↟,可提升系統可靠性或降低成本↟│·│。這便提出了影響電子系統方方面面的諸多挑戰╃·•│↟,包括矽•✘₪↟、封裝•✘₪↟、認證方法和設計技術↟│·│。
 
高溫應用

古老以及目前大的高溫電子裝置(>150°C)應用領域是地下石油和天然氣行業↟│·│。在該應用中╃·•│↟,工作溫度和地下井深成函式關係↟│·│。地熱梯度一般為25°C/km深度╃·•│↟,某些地區更大↟│·│。
過去╃·•│↟,鑽探作業
Highest在150°C至175°C的溫度範圍內進行╃·•│↟,然而╃·•│↟,由於地下易鑽探自然資源儲備的減少和技術進步╃·•│↟,行業的鑽探深度開始加深╃·•│↟,同時也開始在地熱梯度較高的地區進行鑽探↟│·│。這些惡劣的地下井溫度超過200°C╃·•│↟,壓力超過25 kpsi↟│·│。主動冷卻技術在這種惡劣環境下不太現實╃·•│↟,被動冷卻技術在發熱不限於電子裝置時也不太有效↟│·│。

地下鑽探行業中高溫電子裝置的應用十分複雜↟│·│。首先╃·•│↟,在鑽探作業過程中╃·•│↟,電子裝置和感測器會引導鑽探裝置並監控其狀態是否正常↟│·│。隨著定向鑽探技術的出現╃·•│↟,高溫地質導向儀器必須將鑽孔位置引導至地質目標↟│·│。

鑽孔時或鑽孔剛結束時╃·•│↟,精密的井下儀器會收集周圍的地質構造資料↟│·│。這種做法稱為測井可以測量電阻率•✘₪↟、放射性•✘₪↟、聲音傳播時間•✘₪↟、磁共振和其他屬性╃·•│↟,以便確定地質構造特性╃·•│↟,如巖性•✘₪↟、孔隙度•✘₪↟、滲透率╃·•│↟,以及水/烴飽和度↟│·│。透過這些資料╃·•│↟,地質學家可以從構造上對岩石型別進行判斷╃·•│↟,還可以判斷存在的流體型別及其位置╃·•│↟,以及含流體區域能否提取出足夠數量的碳氫化合物↟│·│。

後╃·•│↟,在完成和生產階段╃·•│↟,電子系統會監控壓力•✘₪↟、溫度•✘₪↟、振動和多相位流動╃·•│↟,並主動控制閥門↟│·│。要滿足這些需求╃·•│↟,需要有一個完整的高效能元件訊號鏈↟│·│。系統可靠性是重要的因素╃·•│↟,因為裝置故障會造成*的停機成本↟│·│。在地下數英里作業的鑽柱如果出現電子元件故障╃·•│↟,需要一天以上的時間來檢修及更換╃·•│↟,操作複雜深水海上鑽井平臺每天大約需要花費100萬美元✘✘•!
其他應用領域:除了石油和天然氣行業外╃·•│↟,航空電子等其他應用對高溫電子器件的需求也日漸增多↟│·│。如今╃·•│↟,航空業正日益向“多電子飛機”(MEA)的趨勢發展↟│·│。這一方案一方面是為了用分散式控制系統取代傳統集中式發動機控制器↟│·│。1集中式控制需要採用由數百個導體和多個聯結器介面組成的龐大重型線束↟│·│。分散式控制方案則將發動機控制系統放置在離發動機較近的地方╃·•│↟,將互連的複雜性降低了10倍╃·•│↟,使飛機的重量減輕了數百磅╃·•│↟,2同時增加了系統可靠性(估計值在某種程度上與聯結器引腳數成函式關係(根據MIL-HDBK-217F計算)↟│·│。
但是╃·•│↟,代價是發動機附近的環境溫度會上升(–55°C至+200°C)↟│·│。雖然該應用中電子裝置可以進行冷卻╃·•│↟,但依然會產生不利影響╃·•│↟,原因有二↟▩│:首先╃·•│↟,冷卻會增加飛機的成本和重量╃·•│↟,其次(也是重要的一點)╃·•│↟,冷卻系統故障會導致控制關鍵系統的電子裝置出現故障↟│·│。

MEA方案另一方面是要用電力電子和電子控制取代液壓系統╃·•│↟,以提升可靠性╃·•│↟,減少維護成本↟│·│。理想狀態下╃·•│↟,控制電子裝置必須離執行器很近╃·•│↟,這也會產生較高的環境溫度↟│·│。

汽車業提供了採用高溫電子裝置的另一種新興應用↟│·│。和航空電子一樣╃·•│↟,汽車業也在從純機械和液壓系統向機電一體化系統轉變↟│·│。4這就需要有離熱源更近的定位感測器•✘₪↟、訊號調理╃·•│↟,以及控制電子裝置↟│·│。

Highest溫度和暴露時間依車輛型別和車輛中電子器件的位置而定↟│·│。例如╃·•│↟,高整合的電氣和機械系統(如變速箱配置和變速箱控制器)╃·•│↟,可以簡化汽車子系統的生產•✘₪↟、測試和維護過程↟│·│。5電氣車輛和混合電動車需要高能量密度的電子裝置╃·•│↟,用作轉換器╃·•│↟,電機控制╃·•│↟,充電電路這些和高溫相關的部分↟│·│。

 使用超出資料手冊溫度規格的IC

過去╃·•│↟,由於無法獲得高溫IC╃·•│↟,石油和天然氣等行業的高溫電子裝置設計師只能使用遠高於額定規格的標準溫度器件↟│·│。有些標準溫度的IC確實能在高溫下工作╃·•│↟,但是使用起來非常困難╃·•│↟,並且十分危險↟│·│。例如╃·•│↟,工程師必須確定可能選用的器件╃·•│↟,充分測試並描述其溫度效能╃·•│↟,並驗證其長期可靠性↟│·│。器件的效能和壽命經常會大幅遞減↟│·│。

這一過程充滿挑戰且昂貴耗時↟▩│:
器件驗證需要用高溫印刷電路板(PCB)和裝置在實驗室烤箱中進行測試╃·•│↟,測試時間至少應達到任務剖面所需的時間↟│·│。由於可能面臨新的故障機制╃·•│↟,測試速度很難加快↟│·│。測試過程中如出現故障╃·•│↟,需要再次選擇器件並經過長期測試╃·•│↟,從而延長專案時間↟│·│。
資料手冊規格之外的工作情況無法獲得保證╃·•│↟,效能可能隨器件批次而變化↟│·│。具體而言╃·•│↟,IC工藝變化會在溫度時導致意外故障↟│·│。
 
針對高溫設計並透過認證的IC

幸運的是╃·•│↟,憑藉近的IC技術╃·•│↟,能夠保證以資料手冊規格在高溫下可靠工作的器件已經問世↟│·│。工藝技術•✘₪↟、電路設計和佈局技術均有所發展↟│·│。

要想在高溫條件下順利工作╃·•│↟,必須能夠同時管理多個關鍵器件特性↟│·│。其中一項重要也是為人熟知的挑戰是因為襯底漏電流上升而產生↟│·│。其他因素包括載流子遷移率, 下降•✘₪↟、VT, β, 和 VSAT, 等器件引數變化•✘₪↟、金屬互連電子遷移增加╃·•│↟,以及電介質擊穿強度下降↟│·│。6雖然標準矽可以在125°C以上的軍用溫度要求下正常工作╃·•│↟,7但每上升10°C╃·•│↟,標準矽工藝中的洩露就會增加一倍╃·•│↟,許多精密應用都不能接受這一情況↟│·│。

溝道隔離•✘₪↟、絕緣矽片 (SOI)和標準矽工藝中的其他變化都會大大降低洩露╃·•│↟,使高效能工作溫度遠高於200°C↟│·│。圖5所示為SOI雙極性工藝減少洩露區域的過程↟│·│。碳化矽(SiC)之類的寬頻隙材料會使效能進一步提升╃·•│↟,實驗室研究顯示╃·•│↟,碳化矽IC可在高達600°C下工作↟│·│。但是╃·•│↟,SiC是一種新型的工藝技術╃·•│↟,目前市場上只有功率開關之類的簡單器件↟│·│。
儀表放大器:用於地下鑽探的儀表放大器需要具備高精度╃·•│↟,以便放大常見噪聲環境中的微弱訊號↟│·│。這種放大器通常是測量前端的個器件╃·•│↟,因此╃·•│↟,其效能對整個訊號鏈的信能至關重要↟│·│。

ADI公司開發團隊從一開始就選定AD8229儀表放大器用於高溫工作環境╃·•│↟,且始終針對這一目的進行設計↟│·│。為了滿足其*的效能要求╃·•│↟,還選用了專有的SOI雙極性工藝技術↟│·│。設計人員採用了特殊電路技術╃·•│↟,以保證能夠在各種器件引數下工作╃·•│↟,例如基極-發射極電壓和正向電流增益↟│·│。

IC佈局也會顯著影響AD8229的效能和可靠性↟│·│。為了在整個溫度範圍內維持低失調和高共模抑制比(CMRR)╃·•│↟,佈局應補償互連和溫度係數的變化↟│·│。此外╃·•│↟,仔細分析關鍵部分的電流密度可以降低電子遷移的影響╃·•│↟,並提升條件下的可靠性↟│·│。同樣╃·•│↟,設計人員還會預測故障條件╃·•│↟,以防止過早擊穿↟│·│。

憑藉魯棒的工藝•✘₪↟、電路設計和佈局技術╃·•│↟,器件可以滿足整個溫度範圍內嚴苛的精度和可靠性要求↟│·│。
 
封裝考慮因素

高溫功能化矽的採用只相當於完成了一半的工作↟│·│。在高溫下進行晶片封裝並將其連線至PCB絕非易事↟│·│。高溫時許多因素都會影響封裝完整性↟│·│。
晶片粘著 材料可以確保將矽連線至封裝或基板↟│·│。許多在標準溫度範圍能夠穩定使用的材料都具有較低的玻璃化轉變溫度(TG)╃·•│↟,不適合在高溫下工作↟│·│。對晶片•✘₪↟、晶片粘著材料和基板的熱膨脹係數(CTE)進行匹配時需要特別注意╃·•│↟,以防止晶片在寬溫度範圍內反覆工作時受到應力或斷裂↟│·│。晶片上即便受到少量的機械應力╃·•│↟,也可能會導致電氣引數發生變化╃·•│↟,達到精密應用不可接受的水平↟│·│。對於需要採用熱連線和電氣連線連線至封裝基板的功率器件╃·•│↟,可能需要使用金屬晶片粘著材料↟│·│。

線焊是晶片和引腳互連的一種方法╃·•│↟,這種方法是在晶片表面上從引腳架構至焊盤用金屬線連線↟│·│。對高溫下的線焊可靠性而言╃·•│↟,線所用金屬與焊盤金屬化層的相容性是一大問題↟│·│。由於焊接金屬相容性差產生的故障有兩方面╃·•│↟,一方面是邊界介面的金屬間化合物 (IMC)生長╃·•│↟,這會導致焊接易碎;另一方面是擴散(柯肯達爾效應)╃·•│↟,這會在介面處產生空洞╃·•│↟,減小焊接強度並增加其電阻↟│·│。遺憾的是╃·•│↟,業界常見的金屬組合之一(金線和鋁焊盤金屬化層)在高溫時就容易產生上述現象↟│·│。
高溫焊接失敗後出現了明顯的金/鋁金屬間化合物生長和柯肯達爾空洞↟│·│。更糟的是╃·•│↟,溴和氯等鹵素(時見於塑封材料)在高溫時也會引起邊界介面腐蝕╃·•│↟,加速焊接失敗(幸而業界已轉用“綠色”無鹵素塑封材料)↟│·│。因此╃·•│↟,焊線和焊盤
Best採用相同金屬(單金屬焊接)╃·•│↟,以避免上述不良影響↟│·│。如果不能採用相同金屬╃·•│↟,工程師應當選擇IMC生長和擴散率足夠慢的金屬╃·•│↟,以保證在所需的壽命內可靠使用↟│·│。
IC封裝也必須能夠承受惡劣環境下施加的應力↟│·│。塑膠封裝儘管達到行業標準╃·•│↟,但傳統上只能在150°C的額定溫度下持續使用↟│·│。隨著近期高溫應用日益受到關注╃·•│↟,研究表明╃·•│↟,這一額定溫度可增至175°C╃·•│↟,但只能持續較短時間↟│·│。從封裝結構來看╃·•│↟,175°C是某些材料(如塑封材料)超過玻璃化轉變溫度的溫度點↟│·│。在TG以上溫度工作會使關鍵引數(如CTE和彎曲模量)產生顯著機械變化╃·•│↟,並因熱應變引起分層及開裂等焊接失敗現象↟│·│。

因此╃·•│↟,高溫應用時Best選用密封陶瓷封裝↟│·│。密封可以防止導致腐蝕的溼氣和汙染進入↟│·│。遺憾的是╃·•│↟,密封封裝通常較大較重╃·•│↟,且價格比同類塑膠封裝貴得多↟│·│。在溫度要求(< 175°C)較少的應用中╃·•│↟,Best採用塑膠封裝╃·•│↟,可以減少PCB面積•✘₪↟、降低成本╃·•│↟,或是提供更好的振動順應性↟│·│。對需要採用密封封裝和高器件密度的系統而言╃·•│↟,高溫多晶片模組是一種比較合理的解決方案↟│·│。然而╃·•│↟,這種方案需要提供已知合格晶片↟│·│。
封裝引腳配置和金屬化情況也必須加以評估↟│·│。表面貼裝器件質量僅取決於焊盤面積以及銅層和預浸材料之間的粘結質量↟│·│。另一方面╃·•│↟,通孔DIP配置(業界可靠的封裝之一)也可提供魯棒的衝擊和振動效能↟│·│。情況下╃·•│↟,要想進一步提升連線強度╃·•│↟,還可以彎曲電路板底側引腳╃·•│↟,並將其“釘”在PCB上╃·•│↟,但是╃·•│↟,通孔引腳排列不允許電路板低側的元件密集分佈╃·•│↟,這可能是空間限制嚴格的井下儀器等應用面臨的一大問題↟│·│。

許多情況下╃·•│↟,鷗翼SMT引腳配置是一種可行的替代方法╃·•│↟,但是╃·•│↟,無引腳SMT在許多高溫環境下面臨高衝擊和振動時不夠魯棒↟│·│。採用SMT器件時╃·•│↟,設計人員應當考慮其高度和質量↟│·│。採用高溫環氧樹脂可以提高連線魯棒性╃·•│↟,但是會增加製造成本╃·•│↟,加大維修難度↟│·│。在所有情況下╃·•│↟,引腳金屬化層都必須相容高溫焊料↟│·│。

常見的標準焊料合金熔點低於200°C↟│·│。但是╃·•│↟,有一些現成的合金可以列入“高熔點”(HMP)合金╃·•│↟,其熔點遠高於250°C↟│·│。即便在這些情況下╃·•│↟,對任何受應力影響的焊料而言╃·•│↟,其Highest推薦工作溫度也比其熔點低40°C左右↟│·│。例如╃·•│↟,標準HMP焊料合金由5%的錫•✘₪↟、93.5%的鉛和1.5%的銀組成╃·•│↟,熔點為294°C╃·•│↟,但其推薦工作溫度僅為255°C↟│·│。9注意╃·•│↟,BGA(球柵陣列)封裝有工廠粘結的焊料球╃·•│↟,熔點可能不會太高↟│·│。

後╃·•│↟,PCB本身也可能是焊接失敗的原因↟│·│。標準FR4材料在130°C至180°C時可在任意位置發生玻璃化轉變╃·•│↟,依具體成分而定↟│·│。如果在該溫度以上使用(即使時間較短)╃·•│↟,也會出現擴散和分層↟│·│。聚醯亞胺是一種可靠的替代材料(Kapton中就採用了這種材料)╃·•│↟,其TG高達250°C╃·•│↟,具體依成分而定↟│·│。但是╃·•│↟,聚醯亞胺的吸溼性*╃·•│↟,可能會使PCB由於各種機制迅速出現故障╃·•│↟,因此╃·•│↟,控制其在溼氣中的暴露至關重要↟│·│。近些年來╃·•│↟,業界引進了吸溼性較小且能在高溫時保持完整的新型層壓材料↟│·│。
 
驗證•✘₪↟、認證與測試

在實驗室驗證高溫器件並非易事╃·•│↟,因為工程師需要綜合上述各項技術才能在溫度下測試器件效能↟│·│。除了在建造測試夾具時採用特殊材料外╃·•│↟,測試工程師還必須謹慎操作環境試驗箱╃·•│↟,使系統調整至所需的溫度變化↟│·│。由於膨脹係數不匹配╃·•│↟,快速溫度變化會對PCB板上的焊點造成損害╃·•│↟,產生翹曲變形╃·•│↟,並終使系統過早出現故障↟│·│。業界採用的原則是將溫度變化率保持在每分鐘3°C以下↟│·│。
為了加快壽命與可靠性測試過程╃·•│↟,在高溫下測試電子器件是一種可以接受的方法↟│·│。這裡需要引入一個加速係數α╃·•│↟,根據Arrhenius方程計算↟▩│:
其中Ea為啟用能╃·•│↟,k為玻爾茲曼常數╃·•│↟,Ta為使用時的預期工作溫度╃·•│↟,Ts為應力溫度↟│·│。雖然加速老化問題對標準產品影響不大╃·•│↟,但是╃·•│↟,應力溫度遠高於額定溫度可能會引起新的故障機制╃·•│↟,並導致結果不準確↟│·│。因此╃·•│↟,為保證AD8229等高溫器件的終身可靠性╃·•│↟,需要在210°C的
Highest額定溫度下進行為期1000小時(大約六週)的高溫工作壽命 測試(HTOL)↟│·│。在低溫情況下╃·•│↟,預期壽命可以採用的加速度關係進行預測↟│·│。
塑膠封裝只在不超過約175°C時保持魯棒╃·•│↟,且工作壽命減少↟│·│。在這一溫度限值附近╃·•│↟,如果不進行昂貴耗時的實驗室故障分析╃·•│↟,很難區分故障是因封裝還是矽材料引起的↟│·│。陶瓷封裝的標準器件供貨較為稀缺↟│·│。
惡劣環境下使用的器件通常不僅要能承受高溫╃·•│↟,還要能承受衝擊和振動↟│·│。許多工程師都喜歡採用帶引腳的封裝(如DIP或鷗翼SMT)╃·•│↟,因為這些封裝可以為PCB提供更加魯棒的安裝↟│·│。由於其他行業傾向於小型無引腳封裝╃·•│↟,會進一步限制器件的選擇↟│·│。

Best採用裸片形式的器件╃·•│↟,尤其是在器件只提供塑膠封裝的情況下↟│·│。然後╃·•│↟,晶片可以採用符合高溫的密封封裝或多晶片模式重新封裝↟│·│。但是╃·•│↟,能夠在高溫下工作的器件原本就不多╃·•│↟,能夠透過測試的晶片就更少↟│·│。
由於時間和測試裝置限制╃·•│↟,業界工程師可能傾向於將器件的條件限制在特定的應用電路中╃·•│↟,而不是涵蓋所有的關鍵器件引數╃·•│↟,使器件難以不經進一步測試便重新用於其它專案↟│·│。
資料手冊未列出的關鍵IC屬性(如金屬互連的電子遷移)可能在高溫時引起故障↟│·│。

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