1. 电子元器件的高温环境下的需求及现状

1.1需求

电子设备在近航空发动机和火箭推进系统等环境下，安装在飞机发动机的控制系统的电子元器件往往需要工作在环境温度为135℃~175℃的范围内。

电子设备在汽车电子行业应用时，由于从纯机械和液压系统向机电一体化系统转化，电子元器件（如传感器、信号调理和控制系统）等工作温度可达150℃。

电子设备在石油行业及其他应用时，由于全球近似平均地热梯度是25℃/km深度，因此井下石油行业一般工作温度在150℃~230℃范围。

1.2现状

井下工作环境属恶劣的超高温环境，在这种环境下，考虑散热几乎是不可能的；近热源应用时，考虑散热，不但会增加成本和重量，而且可能会引起系统或其他设备出现故障。故几乎无法对工作在以上三种环境下的电子元器件进行有效的散热，这对在高温恶劣环境下电子元器件长期工作的可靠性提出了挑战。

2. 电子元器件高温应用面临的问题

市面上国产电子元器件大部分工作最高温为125℃，进口元器件（如TI公司）最高温为210℃。现常见器件在高温应用时主要有两种处理方式：一种是系统采用进口高温器件，在高温累积工作一定时间后，进行报废换新处理；另一种在非耐温器件使用时采用电子保温瓶，确保瓶内温度在规定范围内，因保温瓶的隔热作用是双向的，由于器件发热，随着时间变化，其内部的温度有可能高于外部温度。上述方式不仅增加了系统的应用成本和复杂度，而且并不能解决热功耗大的器件散热问题。现亟待解决电子元器件在高温恶劣环境下的安全性和高可靠性。

2.1 引线键合

集成电路超90%采用引线键合的方式实现封装内部芯片和外部管脚以及内部元器件电极之间的电气互连。

引线键合主要分为金丝键合和铝丝/硅铝丝键合，引线与芯片上金属化层（多为Al）进行键合。若采用Al引线，则在芯片侧焊点构成Al-Al系统，Al-Al系统特别可靠，无金属间化合物和界面腐蚀问题。若采用Au引线，则在芯片侧焊点构成Au-Al系统，Au-Al系统会形成多种金属化合物，会产生柯肯达尔空洞，而且随着温度和时间的增加而加速。下面针对Au-Al键合系统进行分析。

半导体行业常见的键合方式为金铝键合。在金-铝键合系统中，金向铝中的扩散速度要比铝向金中的扩散速度快的多，因此在金一侧将会留下大量的空位。空位的聚集过程是一个降低自由能的过程，因此是一个自发的过程，当空位聚集到一定程度后则会形成可见的Kirkendall空洞。柯肯达尔效应（kirkendall effect）是指两种金属因为化学势/费米能级不同，他们结合在一起时的扩散上的不同，而受结合面阵点总数恒定影响，则扩散区域内的每个平面都必须发生移动。这种扩散具有单向性。即化学势/费米能级高的向低的扩散。且扩散速率强依赖于所处环境温度。由于这种现象是由柯肯达尔等人于1947年证实的，故称之为柯肯达尔效应。金铝间化合物及Kirkendall空洞的生成受金铝间互扩散的限制。而扩散又强烈地依赖于温度。因此，金铝键合失效就必然与温度或温度时间积有关。较高的温度应力或较长的温度时间积是造成键合点失效的必要的外部条件。

下图为高温条件下经过500小时后的金铝键合剖面图。

（195℃下500小时后的金-铝焊接剖面图）

从上图可以看出，金-铝键合界面在高温、长期工作后出现了不同程度的空洞。

2.2 使用寿命

经查询进口集成电路厂家，在产品应用时，会考虑器件金铝键合在高温kirkendall空洞加剧问题，其产品寿命通常会大幅度下降，在数据手册中予以说明，比如SM470R1B1M-HT，如下图，超过可靠性预计范围外的产品需考虑及时维护更换。

Electromigration  Fail  Mode

SM470R1B1M结温与预计寿命时间曲线（出自SM470R1B1M产品说明书）

从上曲线可以得到：

（1）在排除封装壳体引入的失效时，在器件结温为+85℃下，平均无故障时间约为30年，+150℃下平均无故障时间约为2年，+220℃下平均无故障时间约为1000小时。

（2）高温下，主要的失效原因是电迁移。其实这个电迁移有两种情况。一是芯片内部的铝互连线。在超大规模集成电路的设计中，必须遵从“等比例缩小”原则。也就是说，集成度越高，铝互连线越薄越细，且要“立交”。这样会造成铝原子沿电流流动的反方向迁移。铝互连的层数越多，“立交”点就越多，铝互连“上坡”或“下坡”的“坡度”就越大，发生铝原子电迁移的概率就越大。且这种电迁移会随着互连线上电流的增大或者器件结温的增高而增大。二是不同材质的键合，在高温下产生kirkendall效应，致使器件内外电气连接失效。

2.3 封装应力

集成电路的封装必须能承受恶劣环境下施加的应力。塑料封装尽管能达到行业标准，但只能在低于150℃的额定温度下持续使用。研究表明，这一温度可增加到175℃，但只能持续较短时间。从封装结构来看，175℃是某些材料超过玻璃化转变温度的温度点，在这个温度点上会使关键参数产生显著机械变化，并因热应变引起分层及开裂等焊接失败现象。

3. 解决措施

3.1 同金属键合

最好的解决办法就是同金属（单金属）（金-金）键合；次之，金属间化合物IMC生长和扩散速率足够慢的两种金属（铜-铝），将寿命控制在所需寿命内，都可以很好的避免这些负面效应。

航晶公司对同种金属键合（金金键合、铝铝键合）和不同种金属键合（金铝键合）进行了不同程度的高温与键合强度的试验。试验结果如下：

①金-铝键合（传统工艺）

对10只器件直接进行键合强度测试（编号为1~10）。

对10经过300℃/24h高温贮存后的器件进行键合强度测试（编号为11~20）。

编号为15的器件键合强度测试前（图左）键合强度测试后（图右）

测试数据处理如下：

键合丝种类/直径：金丝（金铝键合）/20μm，

最小键合强度：2.3gf（密封前）；1.9gf（密封后）。

试验结果：普通的金-铝线焊将随着温度的升高而退化，形成含空隙的易碎金属间化合物，随着温度时间积的累积，键合强度有明显的下降。

②金-金键合（新工艺）

金-金键合工艺多增加了一道镍钯金金属化工序，以获得键合区金焊盘表面（而非铝），然后与金线一起实现精致的金属焊接，从而避免金属间化合物生长。

对10器件直接进行键合强度测试（编号为21~30）。

对10经过300℃/24h高温贮存后的器件进行键合强度测试（编号为31~40）。

测试数据处理如下：

键合丝种类/直径：金丝（金铝键合）/20μm，

最小键合强度：2.3gf（密封前）；1.9gf（密封后）。

试验结果：金-金键合键合强度数据较金-铝键合强度数据大，金-金键合300℃/24h后的键合强度数据与直接测试的键合强度数据也无明显差异。

有同样试验数据表明：

（195℃下3000小时后的镍钯金-金焊接剖面图）

从上图可以看出，金-金键合界面高温长时间工作后，未出现空洞等异常现象

③铝铝键合

对10只器件直接进行键合强度测试（编号为41~50）。

对10只经过300℃/24h高温贮存后的器件进行键合强度测试（编号为51~60）。

测试数据处理如下：

键合丝种类/直径：铝丝（铝铝键合）/76μm

最小键合强度：12.0gf（密封前）；8.0gf（密封后）。

试验结果：铝-铝键合300℃/24h后的键合强度数据与直接测试的键合强度数据也无明显差异。

3.2 空腔设计

高温应用时最好选用密封陶瓷封装，密封还可以防止导致腐蚀的湿气和污染进入，减少高温时塑封应力对键合丝和芯片的损伤。但是，密封封装通常较大较重，且价格比同类塑料封装贵的多。对需要采用密封封装和高器件密度的系统而言，高温多芯片模块是一种比较合理的解决方案。

4. 其他注意事项

4.1 高温系统参数设计

高温条件下保证正常工作，需要能同时管理多个关键器件特性并考虑参数和无源器件在宽温度范围内的变化。例如衬底漏电流上升而产生，载流子迁移率下降，失调和输入偏置漂移、增益误差、温度系数、电压额定值、功耗、电路板泄露、V_T、β、V_SAT等器件参数变化和分立器件的固有泄露，金属互连电子迁移增加，以及电介质击穿强度下降。虽然硅可以在125℃的军用温度要求下正常工作，但每上升10℃，硅工艺中的泄露就会增加一倍。

4.2 PCB选材

PCB本身也可能是高温失效的原因。标准FR4材料在130℃~180℃时可在任意位置发生玻璃化转变，依具体成分而定。如果在该温度以上使用（即使时间较短），也会出现扩散和分层。聚酰亚胺是一种可靠的替代材料，其TG高达250℃，具体依成分而定。但是聚酰亚胺的吸湿性极强，可能会使PCB由于各种机制迅速出现故障，因此，控制其在湿气中的暴露至关重要。

4.3 焊剂残留

高温下会加重由助焊剂、灰尘和冷凝等污染引起的电路板泄露。例如运算放大器和仪表放大器的标准引脚排列方法为一个输入端放置在负电源端附近，这样会大大降低对PCB装配后焊剂残留的耐受能力，这些焊剂残留会增加泄露。再例如表面贴装器件靠着PCB，焊剂残留在装配后的电路板底部，焊剂残留会吸湿，增加高温时的传导率。

通过装配结束前增加的电路板清洗环节可以有效地清除残留。

4.4 散热设计

在设计恶劣环境工作的系统时，必须要谨记热管理要求。在用到高温专用器件时，也需要考虑与其功耗相关的自热效应，遵循推荐的散热指南。

5. 结论

5.1 金-铝键合，随着高温环境越来越恶劣，键合强度在逐渐下降。在实际应用时，需要结合实际应用环境，定期维护更换。

5.2 对比同金属键合，金-金，铝-铝键合强度可靠性要优于不同金属键合。

5.3 高温封装可靠性设计的首选空腔是金属封/陶封封装器件。

5.4 通过以上的分析和实验，能说明为什么不管是军级器件（+125℃）或石油级器件（+225℃），其规定的最高储存温度均要小于150℃。也能说明为什么黑瓷封装器件均要使用铝丝压焊（黑瓷低温玻璃的熔化温度≥460℃，高温区时间≥30分钟）。

5.5 采用塑封封装改为金属封/陶封封装，不同种金属键合改为同种金属键合的方式，从封装因素方面提升微器件在高温下的平均无故障时间。

5.6 在设计时，充分考虑到高温下参数变化范围；选用聚酰亚胺替代FR4材料的PCB板；装配结束前增加电路板清洗；充分考虑热功耗和自热效应的布局，提升微器件在高温下的平均无故障时间。

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