極端環(huán)境推動設計創(chuàng)新

世界上最具挑戰(zhàn)的應用便是在惡劣環(huán)境下工作的應用，比如井下鉆探。 針對此類應用設計的精密設備必須能夠耐受極端的壓力、沖擊和振動，同時具有小尺寸和較長的電池壽命。 然而，設計工程師面臨的最大挑戰(zhàn)也許是如何保護這些功能免受極端溫度的影響。

本文作者是Jeff Watson和Maithil Pachchigar，ADI公司應用工程師。

平均而言，地熱梯度約為25°C/km，但某些地區(qū)可能更高。 此外，由于全球?qū)δ茉吹男枨笥兴仙?，油田服務公司開發(fā)更熱油井的動機也在不斷增加。 由于無法在這種環(huán)境下冷卻電子設備，現(xiàn)在對于能可靠工作在200°C以上的精密儀器的迫切需求也在增長。因此，該領域的工程師也在不斷突破技術限制，對以前從未嘗試過的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)探索。

在設計工程中，可靠性永遠是至關重要的；然而在這些行業(yè)中可靠性更為關鍵，因為出故障的代價極高。 一個例子是，可能需要花超過一天的時間回收并替換正在地下數(shù)公里作業(yè)的鉆柱電子組件；另外，操作一個海上鉆井平臺的成本可能超過每天500,000美元，這對公司來說是一個高代價難題。

航空業(yè)是又一個對抗高溫電子設備需求不斷增長的行業(yè)。 目前的趨勢是向“電子化程度更高的飛機”發(fā)展，用分布式控制系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的中心化引擎控制器。 這樣可以讓引擎控制更靠近引擎，從而極大簡化互連布局，并減輕幾百千克的飛機重量。 同時，用電源電子設備和電子控制代替液壓系統(tǒng)也越來越常見，這是為了提升可靠性、降低維護成本。 理想情況下，這些控制電子設備必須離執(zhí)行器很近。 所有這些開發(fā)都會產(chǎn)生很高的環(huán)境溫度。

在高溫額定IC發(fā)明并成為現(xiàn)成可用的產(chǎn)品以前，電子設計工程師被迫使用高于額定值規(guī)格的元器件。 雖然某些標準溫度IC在高于規(guī)格的時候也許能實現(xiàn)部分功能，但這是一種艱巨而充滿風險的嘗試，因為可靠性或性能得不到保證。 工程師必須確定可能選用的器件，充分測試并描述其溫度性能，并驗證其長期可靠性。 器件的性能和壽命經(jīng)常會大幅遞減，并且批次之間可能會有很大的不同。 這一過程充滿挑戰(zhàn)且昂貴耗時，工程師總是設法避免。 此外，隨著設計溫度向175°C及更高靠攏，哪怕為了在短期內(nèi)具有可靠性也必須采用高級封裝。

雖然高溫電子設備可用于數(shù)量龐大的不同應用中，但這些應用的信號鏈有一些共同的要求。 這些系統(tǒng)的主要部分要求對多個傳感器進行精確的數(shù)據(jù)采集，或者具有高吞吐速率。 此外，很多這樣的應用都有很嚴格的功率預算，因為它們采用電池供電，無法耐受電子元件的額外熱量。 因此，需要采用由傳感器、精密模擬元件和高吞吐速率ADC組成的低功耗數(shù)據(jù)采集信號鏈。

雖然目前HT額定IC已經(jīng)投入商用，電路構件塊的選擇依然很有限。 尤其是目前市場上暫時沒有采樣速率超過100kS/s且額定工作溫度高于200°C的低功耗精密ADC。這是一個令電路設計人員頭疼的問題，因為他們需要獲取并處理更寬的帶寬信號，或希望進行通道多路復用。

為了滿足這一需求，ADI去年推出了高溫認證的ADC AD7981，該器件工作溫度范圍為−55到+175°C。器件的架構采用了ADI專利的電荷再分配容性DAC技術。 CMOS制造工藝在高溫下具有出色的性能，這部分是因為溫度范圍內(nèi)的電容匹配和跟蹤。 此外，還對采集電路進行了優(yōu)化，改善高溫下的精度。

AD7981的設計融入了另一項關鍵功能，該功能可隨吞吐速率線性調(diào)節(jié)功率，從而最大程度延長電池壽命，且在600 kS/s時功耗典型值約為4.65mW，在10kS/s約為70µW。兩次轉(zhuǎn)換之間，AD7981可以自動關斷，節(jié)省能耗。 這些特性使該器件尤為適合低采樣速率（甚至幾Hz）應用，并為電池供電型便攜系統(tǒng)提供極低的功耗。

但是，要造就一款高性能的高溫硅片這還不夠。 對于集成電路而言，要在高溫環(huán)境下工作，魯棒的封裝絕對是至關重要。 封裝必須提供針對環(huán)境的足夠保護，能夠可靠地連接PCB，同時尺寸適合系統(tǒng)所要執(zhí)行的任務。 AD7981采用小尺寸10引腳MSOP封裝，在極端溫度下具有魯棒的性能，包括單金屬線焊，在最高額定溫度下的認證工作時間長達1,000小時。高溫下封裝不可靠的最主要原因之一就是線焊。 線焊失效是業(yè)內(nèi)塑料封裝常見的問題，其標準是采用金屬線焊和鋁焊盤。 高溫會加速AuAl金屬間化合物的生長。 這些金屬間化合物引起焊接失效，如易脆焊接和空洞等，這些故障最快可能在幾百小時后就會發(fā)生。

鋁盤上的金球焊，+195°C下500小時后（左圖）；OPM盤上的金球焊，+195°C下6,000小時后（右圖）

為了避免焊接失效，需要采用跨焊盤金屬化工藝，以便為金焊線創(chuàng)造金焊盤表面。 該單金屬系統(tǒng)不會形成金屬間化合物，經(jīng)過195°C、6,000小時的浸泡式認證測試，已被證明非常可靠。

顯然，惡劣環(huán)境系統(tǒng)中最具挑戰(zhàn)性的應用當屬面臨著極端高溫的應用。 但配備了正確的元件和新的高溫額定IC，設計工程師現(xiàn)在有能力采用即用型器件克服這個挑戰(zhàn)——這些器件精度高、功耗低，且具備經(jīng)過充分認證的可靠性。