Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №11

Проблемы проектирования и надежности высокотемпературной электроники

Кастро Густаво (Gustavo Castro)  
Уотсон Джеффри (Jeff Watson)  

Во многих отраслях существует потребность в электронике, способной надежно работать в жестких условиях эксплуатации, например при крайне высоких температурах. Обычно при проектировании электроники, которая должна функционировать за пределами нормального диапазона температур, инженеры вынуждены полагаться на активное или пассивное охлаждение, но в некоторых ситуациях охлаждение оказывается невозможным, а иногда работа при повышенной температуре даже предпочтительна в целях повышения надежности или снижения себестоимости системы. В этих случаях приходится решать ряд сложных задач, затрагивающих многие аспекты электронной системы, в том числе технологические процессы полупроводникового производства, корпусирование, методологию квалификационных испытаний и методики проектирования.

Применения высокотемпературной электроники

Высокотемпературную электронику (при температуре выше +150 °C) начали применять при бурении нефтегазовых скважин много лет назад (рис. 1). До сих пор это крупнейшая сфера применения такой электроники. Здесь рабочая температура является функцией глубины скважины под поверхностью Земли. В среднем по планете типичный геотермический градиент составляет 25 °C/км, но в некоторых областях он выше.

 Бурение скважин

Рис. 1. Бурение скважин

В прошлом бурение осуществлялось при температуре не выше +150…175 °C, но сокращение запасов легкодоступных природных ресурсов вкупе с технологическим прогрессом побудило участников отрасли перейти к бурению более глубоких скважин, в том числе в регионах с повышенным геотермическим градиентом. Температура в таких скважинах может превышать +200 °C, а давление — 170 МПа. Активное охлаждение практически нереализуемо в столь неблагоприятных условиях эксплуатации, а пассивные методы охлаждения неэффективны в случае, когда зона нагрева не ограничена самой электроникой.

Высокотемпературная электроника, применяемая при бурении, может быть сложной. Во-первых, в процессе бурения электроника по сигналам с датчиков направляет буровое оборудование по нужной траектории и контролирует его работоспособность. При использовании технологии направленного бурения высокопроизводительная геонавигационная аппаратура направляет скважину к точно заданной геологической цели.

Во время бурения или вскоре по его завершении сложные скважинные приборы собирают данные об окружающих геологических формациях. В ходе этой работы, называемой каротажем, измеряются удельное сопротивление, радиоактивность, время распространения звуковой волны, магнитный резонанс, а также другие параметры для определения свойств формации — литологического состава, пористости, проницаемости, водо- и нефтегазонасыщенности. По этим данным геологи могут делать выводы о типах пород в формации, о типах и локализации присутствующих в ней флюидов, а также о фактической возможности извлечения нефти и газа в достаточных количествах из насыщенных флюидами зон.

Наконец, на завершающей и производственной стадиях электронные системы используются для контроля давления, температуры, вибрации и многофазного потока, а также для активного управления задвижками. Для выполнения всех этих функций необходима законченная сигнальная цепочка из компонентов с высокими эксплуатационными характеристиками (рис. 2). При этом крайне важна надежность системы, так как издержки от простоев оборудования могут быть весьма велики. На извлечение и замену электронного узла бурильной колонны, отказавшего на глубине нескольких километров под землей, может уйти больше суток, а стоимость эксплуатации сложной глубоководной морской буровой установки составляет порядка $1 млн долларов в сутки.

 Упрощенная схема сигнальной цепочки каротажной аппаратуры

Рис. 2. Упрощенная схема сигнальной цепочки каротажной аппаратуры

Другие применения

Помимо нефтегазовой отрасли, высокотемпературная электроника находит применение и в других областях, например в авионике. В авиационной промышленности сейчас растет тенденция к повышению уровня электрификации самолетов (more electric aircraft, MEA). Среди прочего, эта инициатива направлена на внедрение распределенных систем управления вместо традиционных централизованных устройств управления двигателями [1]. При централизованном управлении приходится использовать крупногабаритные и тяжелые кабельные системы из сотен жил с множеством разнотипных соединителей. В случае перехода к распределенной схеме управляющая электроника будет располагаться ближе к двигателю (рис. 3), что позволит на порядок уменьшить уровень сложности соединений, облегчить самолет на сотни килограммов [2] и повысить надежность системы (которая оценивается, в частности, как функция числа контактов соединителей согласно стандарту MIL-HDBK-217F) [3].

 Электронные узлы управления

Рис. 3. Электронные узлы управления, смонтированные на авиационном двигателе

Недостаток же состоит в том, что температура окружающего воздуха в непосредственной близости от двигателя может находиться в диапазоне от –55 до +200 °C. Хотя в данных условиях электронику можно охлаждать, это нежелательно по двум причинам: во-первых, система охлаждения увеличивает массу и себестоимость самолета, а во-вторых, что важнее, отказ системы охлаждения может привести к отказу электронных узлов, управляющих критическими для безопасности полетов системами.

Другая составляющая инициативы по повышению уровня электрификации самолетов заключается в том, чтобы заменить гидравлические системы силовой электроникой с электронными узлами управления для повышения надежности и снижения затрат на обслуживание. В идеале управляющая электроника должна располагаться очень близко к исполнительным механизмам, где опять-таки имеет место повышенная температура окружающей среды.

Еще одно новое применение для высокотемпературной электроники есть в автомобильной промышленности. Как и в авиапроме, здесь идет переход от чисто механических и гидравлических систем к электромеханическим или механотронным системам [4]. Это требует переноса датчиков, схем нормирования сигналов и управляющей электроники ближе к источникам тепла.

Максимальная температура и длительность воздействия зависят от типа автомобиля и места расположения электроники (рис. 4). Более тесная интеграция электрических и механических систем (например, совмещение коробки передач с блоком управления ею) может упростить производство, испытания и обслуживание автомобильных подсистем [5]. Для функциональных узлов электромобилей и гибридных автомобилей, связанных с высокими температурами, таких как конвертеры, блоки управления двигателем и зарядные цепи, нужна силовая электроника с высокой плотностью мощности.

 Типичные значения максимальной температуры в автомобиле

Рис. 4. Типичные значения максимальной температуры в автомобиле

Использование ИС за пределами паспортных диапазонов температур

В прошлом проектировщики высокотемпературной электроники (например, для нефтегазовой отрасли) были вынуждены пользоваться стандартными компонентами далеко за пределами их номинального паспортного диапазона температур ввиду недоступности высокотемпературных ИС. Некоторые стандартные ИС действительно работали при повышенных температурах, но такое их применение было делом нелегким и рискованным. Например, инженерам необходимо было определить потенциально годные компоненты, полностью испытать их и определить характеристики во всем диапазоне температур, а также оценить долговременную надежность компонента. Характеристики и срок службы деталей в этих условиях зачастую существенно ухудшаются. Это трудный, дорогостоящий и долгий процесс:

  • Для квалификационных испытаний необходима лабораторная термокамера и высокотемпературная печатная плата с креплениями на весь срок таких испытаний. Ускорить их сложно, поскольку могут выявиться новые механизмы отказа. Отказы во время испытаний могут потребовать новой итерации отбора компонентов и долговременных испытаний, что приводит к задержке проекта.
  • Работа за пределами паспортных условий эксплуатации не гарантирована, а характеристики разных партий компонентов могут различаться. В частности, изменения в технологическом процессе производства ИС могут приводить к неожиданным отказам при экстремальных значениях температуры.
  • Микросхемы в пластмассовых корпусах выдерживают температуру приблизительно до +175 °C, а срок их службы при этом сокращается. Вблизи этого температурного предела бывает трудно однозначно идентифицировать корпус или полупроводниковый кристалл как первопричину отказа без длительного и дорогостоящего лабораторного анализа. Ассортимент стандартных компонентов в керамических корпусах беден.
  • Зачастую компоненты, используемые в жестких условиях эксплуатации, должны выдерживать не только высокую температуру, но и сильные ударные нагрузки и вибрацию. Многие инженеры предпочитают компоненты в корпусах с выводами (например, DIP с обычными выводами или SMT с выводами типа «крыло чайки»), так как они обеспечивают более надежное крепление к печатной плате. Это еще больше ограничивает выбор компонентов, так как в прочих сегментах рынка имеется тенденция к применению более компактных безвыводных корпусов.
  • Иногда целесообразно заказывать компоненты в виде полупроводниковых кристаллов, особенно если единственной альтернативой является пластмассовый корпус. После этого можно поместить кристалл в отдельный герметичный теплостойкий корпус или многокристальный модуль. Но из немногих компонентов, способных работать при повышенной температуре, еще меньше предлагается в виде кристаллов, прошедших испытания.
  • Ввиду нехватки времени и недостаточных возможностей испытательного оборудования инженеры в конкретной отрасли могут склоняться к тому, чтобы ограничить квалификационные испытания устройства конкретной конструкцией без анализа всех его ключевых параметров, а это снижает потенциал для использования того же компонента в других проектах без дальнейших испытаний.
  • Важные непаспортные свойства ИС, такие как электромиграция в металлических межсоединениях, могут приводить к отказам при высоких значениях температуры.

ИС, спроектированные и аттестованные для работы при высоких значениях температуры

К счастью, благодаря недавним достижениям в технологии производства интегральных схем появились устройства, способные надежно работать при повышенной температуре с гарантированным соблюдением паспортных характеристик. Прогресс коснулся технологических процессов, проектирования схем и методов компоновки.

Чтобы добиться качественной работы устройства при повышенной температуре, необходимо регулировать целый ряд его ключевых параметров. Одной из наиболее важных и широко известных проблем в этой связи является рост тока утечки через подложку. К числу прочих проблем относятся уменьшение подвижности носителей заряда, разброс параметров устройства (в частности, VT, β и VSAT), повышение интенсивности электромиграции в металлических межсоединениях и снижение диэлектрической прочности [6]. Хотя полупроводниковые кристаллы, изготовленные по стандартным технологическим процессам, могут сохранять работоспособность далеко за верхней границей военного диапазона температур (125 °C) [7], ток утечки в таких кристаллах удваивается при росте температуры на каждые 10 °C, что неприемлемо во многих видах прецизионной аппаратуры.

Такие технологии, как щелевая диэлектрическая изоляция (trench isolation), «кремний на диэлектрике» (silicon-on-insulator, SOI) и другие модификации стандартного технологического процесса, значительно снижают ток утечки и обеспечивают возможность сохранения высоких эксплуатационных характеристик при температуре много выше +200 °C. На рис. 5 показано, как биполярный технологический процесс SOI уменьшает площадь утечки. Материалы с большой шириной запрещенной зоны, в частности карбид кремния (SiC), позволяют еще более повысить планку: в лабораторных исследованиях карбидокремниевые ИС эксплуатировались при температуре до +600 °C. Но карбидокремниевая технология пока еще слабо развита и в настоящее время представлена на рынке лишь простейшими компонентами, такими как силовые ключи.

 Сравнение механизмов утечки

Рис. 5. Сравнение механизмов утечки через переход в монолитном кремнии и SOI-структуре

Инструментальные усилители

Инструментальные усилители используются при бурении скважин для усиления очень слабых сигналов в условиях сильных шумов, которые там обычно присутствуют. От этих компонентов требуется высокая точность. Усилитель данного типа идет, как правило, первым во входном измерительном блоке, поэтому его характеристики оказывают решающее влияние на всю сигнальную цепочку.

Группа разработчиков компании Analog Devices изначально предназначила инструментальный усилитель AD8229 для эксплуатации при высоких значениях температуры и спроектировала его с этим расчетом. Чтобы соблюсти особые требования, предъявляемые к характеристикам данного устройства, для него был избран патентованный биполярный технологический процесс SOI. Применение специальных методов проектирования цепей позволило гарантировать работу усилителя в широком диапазоне значений параметров, таких как напряжение база – эмиттер и коэффициент усиления по току.

Критическое влияние на характеристики и надежность усилителя AD8229 оказывает также компоновка ИС. Чтобы сохранить низкое напряжение смещения и высокий коэффициент подавления синфазного сигнала во всем температурном диапазоне, при компоновке усилителя была обеспечена компенсация разброса параметров межсоединений и температурных коэффициентов. Тщательный анализ плотности тока на важнейших участках позволил ослабить последствия электромиграции, что стало фактором повышения надежности при экстремальных условиях. Наконец, проектировщики приняли меры на случай возникновения условий отказа, чтобы предотвратить преждевременный пробой.

Сочетание термостойкого технологического процесса со специальными методами проектирования цепей и компоновки позволило создать усилитель, отвечающий самым строгим требованиям к точности и надежности в рабочем диапазоне температур.

Окончание следует

Литература

  1. Mehdi A. E. I., Brockschmidt K. K. J. A Case for High Temperature Electronics for Aerospace / IMAPS Int'l. Conference on High Temperature Electronics (HiTEC). May 2006.
  2. Normann R. A. First High-Temperature Electronics Products Survey 2005. Sandia National Laboratories. Sandia Report SAND2006-1580. Apr. 2006.
  3. Reinhardt K. C., Marciniak M. A. Wide-Bandgap Power Electronics for the More Electric Aircraft / 3rd Int. High-Temperature Electronics Conf. Albuquerque, NM. June 1996.
  4. Blalock B., Huque C., Tolbert L., et al. Silicon-on-Insulator Based High Temperature Electronics for Automotive Applications / 2008 IEEE International Symposium on Industrial Electronics.
  5. Evans J. L., Thompson J. R., Christopher M., et al. The Changing Automotive Environment: High-Temperature Electronics/IEEE Trans, on Electronics Packaging Manufacturing. Vol. 27, No. 3. July 2004.
  6. Hnatek E. R. Section 5: Thermal Management. Practical Reliability of Electronic Equipment and Products. NY: CRC Press, 2002.
  7. National Research Council. Appendix A: Silicon as a High-Temperature Material / Materials for High-Temperature Semiconductor Devices. Washington, DC: The National Academies Press, 1995.

Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке