【导读】今年入夏以来，全球多个国家和地区都经历了罕见的高温天气。据媒体报道，美国拉斯维加斯更是创下46.6℃的日最高气温，打破了1943年创下的纪录。面对炎炎夏日，普通大众往往有“避暑三件套”——西瓜、WiFi和空调。对于许多行业电子设备来说，它们则需要直面高温乃至其他恶劣环境，而这对电子系统设计的方方面面提出了诸多挑战。
航空航天、能源勘探、以及汽车等行业对内部设备耐高温有着严苛的需求，工作环境内的电子设备除了要面临极端的高温外，同时还需要确保系统具有长期的高可靠性，尽可能小型化、轻量化。作为高性能半导体提供商里的佼佼者，ADI在高温器件领域一直保持着积极的引领地位。本文将围绕高温电子解决方案这一话题，探讨ADI针对恶劣环境条件下的产品、工艺、封装和典型应用。
工艺、封装双管齐下，解决极端温度环境器件的可靠与性能
集成电路暴露于极端温度环境下，其性能和可靠性会受许多因素的影响而有所降低。例如，衬底漏电流以指数方式增加以及器件参数随温度变化都会导致性能大打折扣。而诸如电子迁移等硅片级问题以及线焊磨损等封装级问题也会损害可靠性。为了克服这些挑战，ADI的高温产品系列特采用创新硅工艺、封装和测试技术进行设计，并且经认证可在高温环境下工作。
随着温度的升高，电流泄漏的影响会呈指数级增长，进而大大降低器件的性能。ADI 的多款HT（High Temperature）产品中都采用了自主研发的绝缘硅片 (SOI) 双极性工艺硅技术，该工艺使用SiO2绝缘电介质层来阻隔衬底中的寄生电流，通过消除这种寄生泄漏路径，即使在非常高的温度环境中，也能够使器件性能保持稳定。
除了采用硅工艺外，ADI专为HT塑料封装打造的线焊工艺是在高温环境中保证封装可靠性的另一项助力技术。ADI的HT塑料封装多加了一道镍钯金金属化工序，以获得金焊盘表面，然后与金线一起实现精致的金属焊接，从而避免形成金属间化合物。值得一提的是，ADI所有HT产品均符合JEDEC JESD22‐A108 规范的高温运行寿命 (HTOL) 测试。每款产品都有至少三个批次需要在最高温度下进行最少1000小时的测试，确保符合数据手册技术规格。
ADI部分耐高温集成电路产品
上图展示的部分ADI高温产品，囊括了放大器、基准电压源、加速度计和温度传感器。除了上文提到的认证测试外，ADI还对产品进行鲁棒性测试（如闩锁免疫）、MIL-STD-883 D组机械测试以及ESD测试，且高温产品系列的可靠性报告可应要求提供。
应用剖析：胜任井下钻探仪器仪，AD7981是如何做到的？
众所周知，井下钻探是世界上最具挑战性的应用之一，油田服务公司必须设计出能承受极端压力、冲击和振动的精密设备，同时该设备还需要具有较长的电池使用寿命且尺寸极小。特别是随着地下易钻探自然资源储备的减少和技术进步，行业的钻探深度开始加深，同时也开始在地热梯度较高的地区进行钻探，这些恶劣的地下井温度超过200°C，主动冷却技术在这种恶劣环境下不太现实，被动冷却技术在发热不限于电子设备时也不太有效，这对关联的电子产品（例如钻探设备状态监测）设计带来极大挑战。
对于这些和其他恶劣环境条件下的应用，ADI提供专为极端温度设计的产品，这些产品系列经认证可在175°C至210°C高温环境下工作。例如ADI高温产品AD7981非常符合井下钻探的恶劣高温环境中精密测量应用的重要性能标准。
AD7981是ADI公司推出的一款16位、低功耗、单电源ADC，采用采样速率高达600 kSPS的逐次逼近型架构(SAR)。其采用单电源VDD供电，功耗较低。它是高吞吐速率、高精度、耐高温、逐次逼近型寄存器(SAR) 的ADC，采用小型封装，提供多功能串行端口接口(SPI)。此外，还对采集电路进行了优化，以提高高温环境下的精度。
井下钻探仪器仪表的简化信号链
在井下钻探仪器仪表应用中，需要对各种井下传感器的信号进行采样，以便收集周围的地质构造数据。这些传感器可能采用电极、线圈、压电或其他传感器的形式。加速度计、磁力计和陀螺仪提供有关钻柱的倾斜、方位角、旋转速率、冲击和振动的信息。AD7981能够从具有不同带宽要求的传感器采样数据，同时保持功效。小尺寸使其可以轻松地在空间受限的布局中容纳多个通道，如井下钻探工具中常用的极窄电路板宽度。此外，灵活的数字接口则允许在要求更苛刻的应用中进行同步采样，同时还允许对低引脚计数的系统进行简单的菊花链回读。
不仅是能源勘探，ADI高温产品还广泛应用在在航空航天和混合动力汽车等行业。当前，航空业正日益向"多电子飞机"(MEA)的趋势发展，该方案会导致发动机附近的环境温度会上升（–55°C至+200°C）。AD8229是一款面向航空航天的超低噪声仪表放大器，壳用于在大共模电压和高温情况下测量小信号。该产品专门针对高温工作环境而设计，并采用介质隔离工艺，以避免高温时产生漏电流，所选设计架构可以补偿高温时的低VBE电压。
典型的汽车最高温度范围
和航空电子一样，汽车行业也在从纯机械和液压系统向机电一体化系统转变。这就需要有离热源更近的定位传感器、信号调理，以及控制电子设备。作为通过汽车应用认证的数字温度传感器，ADT7312可在−55°C至+175°C的极宽温度范围内工作。该器件含有一个内置带隙基准电压源、一个温度传感器和一个16位模数转换器(ADC)，用于监控温度并进行数字转换。具有易于使用，低功耗，极佳的长期稳定性和可靠性等特点。
小结
无论是在地下一英里处操纵油钻还是对发动机进行精密测量，都需要在接近极端温度的环境下作业，因此需要借助专门的高温电子解决方案来保证性能和可靠性。ADI高温产品不仅经过高温测试，而且还在半导体工艺、电路和版图设计、封装技术等方面专门针对高温环境而设计，能帮助客户降低风险并缩短筛选IC的时间，从容应对高温及其他恶劣环境条件下的应用行业。
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