Высокотемпературная электроника

Печатные платы

Следует отметить, что стандартные материалы, используемые для изготовления большинства плат, не подходят для использования при высоких температурах. При продолжительном воздействии высоких температур стеклотекстолит начинает расслаиваться, дорожки покрываются микротрещинами, припой, удерживающий компоненты начинает плавиться.

Для каждого материала, используемого в качестве «ламината» (или базового диэлектрика) существует температура стеклования (Tg), выше которой материал начинает нелинейно и быстро расти по оси Z (толщине).

Однако этот параметр не является абсолютным показателем температуры эксплуатации платы, а лишь накладывает некоторые ограничения на время воздействия «температурного шока». Основным параметром, при котором плата не будет менять свои свойства на протяжении продолжительного (>1000 час.) времени является – Максимальная рабочая температура, которая обычно на 20-50 градусов ниже, чем Tg.

С ростом температуры кроме температурного расширения имеет место так же рост тангенса диэлектрических потерь (Df). Современные материалы, выпускаемые промышленностью, смогли разработать платы, стабильные по характеристикам в данном диапазоне температур по обоим параметрам, при сохранении частотных характеристик.

Td – температура деструкции – это температура, при которой происходит разложение полимерного материала на составляющие.

Dk – диэлектрическая постоянная.

Приведем сравнительную таблицу материалов для печатных плат:

Производитель	Марка	Tg	Td	Dk	Df
ГОСТ(ТУ)
	FR-4	110-135	140	5,4	0,035
isola-group
	P95/P25	260	416	3,76	0,017
	P96/P26	260	396	3,76	0,017
	P25N	250	383	3,67	0,0187
Rogers corp.
	RO4835	>280	390	3,66	0.0037
	RO4830	280	412	3,24	0,0033

Ссылки:
http://fr4.tabe.ru/fr4.html
https://www.isola-group.com/
https://www.rogerscorp.com/documents/8930/acs/RO4830-High-Frequency-Laminates-Data-Sheet.pdf

http://www.radiant.su/files/images/_PDF/elc_n3.pdf

Производители печатных плат, выпускающие высокотемпературные решения

Разрыв сигнальной линии и деформация стеклотекстолита под действием высокой температуры (а). Расслоение текстолита FR4 под действием высокой температуры (б). Расширение материала FR4 в оси Z под действием температуры (в).

Компоненты

Резисторы

Составим таблицу резисторов:

Тип резистора	Типичная температура эксплуатации, град	ppm/?C	Пригодность использования в высокотемпературных схемах	Комментарий
Тонкопленочные	< 155	1-5	нет
Металлопленочные	< 155-200	5-100	возможно
Толстопленочные	<155-300 (стабильные), <500 (возможные)	50-200	да
Углеродные	<150	200-1500	нет	Могут изменить свои характеристики под действием температуры безвозвратно
Плёнка из оксида металла	<450	200-400	возможно	Нестабильные параметры на очень высоких температурах
Проволочные	< 1700 (вольфрамовые), <400	5-500	возможно
POWER METAL STRIP	<275	30-250	да	Низкий шум по заверениям производителей

Ссылки
https://www.element14.com/community/docs/DOC-22086
https://habr.com/ru/post/397607/

Сопротивление резисторов практически линейно зависит от температуры:

$R=R_0\left(1+\alpha\left(t-t_0\right)\right)$

где α – температурный коэффициент сопротивления.

Так же при увеличении температуры возрастает тепловой шум резистора. Следует учитывать, что в реальных резисторах тепловой шум неоднороден (ближе к розовому) и имеет всплески на АЧХ. Этот шум возникает из-за множества причин, одна из главных — перезарядка ионов примесей, на которых локализованы электроны.

Поведение сопротивления резисторов при изменении температуры – сверху. Толщина пленок – снизу

Конденсаторы

Полимерные конденсаторы могут использоваться в некотором диапазоне высоких температур, т.к. их емкость практически не меняется в зависимости от температуры

Керамические конденсаторы:

NP0/CG/C0G – показывают малую зависимость от температуры.
X7R и Z5U – теряют большую часть своей емкости на высоких температурах.

Электролитические – очень нестабильные

Таблица конденсаторов, которые предлагает компания КЕМЕТ

Ссылки:
http://www.kemet.com/Hi-Temp-Ceramic
http://www.kemet.com/Lists/FileStore/Capacitor%20Selection%20Guide.pdf
https://eu.mouser.com/new/Kemet-Electronics/kemet-high-temp-capacitors/

Так же компания Vishay предлагает следующие высокотемпературные конденсаторы:

Максимальная рабочая температура, град.	Тип	Ссылка
175	SMD	https://www.vishay.com/capacitors/list/product-40152/
200	SMD	https://www.vishay.com/capacitors/list/product-40146/
200	Through-hole	https://www.vishay.com/capacitors/list/product-40228/
230	Through-hole	https://www.vishay.com/capacitors/list/product-40138/
200	Through-hole	https://www.vishay.com/capacitors/list/product-40024/
200	Through-hole	https://www.vishay.com/capacitors/list/product-40072/

Ссылка:
https://www.vishay.com/capacitors/high-temperature/

Полупроводники

При работе полупроводниковых приборов в условиях высокой температуры снижается их время наработки на отказ.

Время средней продолжительности работы полупроводникового прибора в зависимости от температуры

Остановимся на основных факторах, влияющих на полупроводниковые устройства в условиях экстремальных температур.

1. Концентрация основных носителей

С увеличением температуры, увеличивается концентрация основных носителей в полупроводнике, причем, экспоненциально. Для собственного полупроводника:

Подробнее тут:
http://www.physics-and-radio-electronics.com/electronic-devices-and-circuits/semiconductor/intrinsic-semiconductor/intrinsic-carrier-concentration.html

$n_i = A\cdot e^{\frac {-E_G}{2kT} }$

где E_g – ширина запрещенной зоны (эВ), k –постоянная Больцмана, T – температура (К), А – константа, зависящая от температуры.

Для примесных полупроводников:

$n_i = A\cdot e^{\frac {-E_p}{2kT} }$

где E_p – энергия ионизации примеси; В – константа, не зависящая от температуры.

Концентрация носителей заряда в полупроводниках при прохождении определенного предела, практически перестает зависеть от температуры. Для электронов критическая концентрация имеет порядок 10²⁵ м^-3. Такие полупроводники называются вырожденными.

Концентрация носителей заряда в полупроводниках при увеличении температуры

2. С увеличением температуры уменьшается подвижность носителей заряда

$\mu = \frac {\lvert V_d\rvert}{\lvert E\rvert}$

где Vd – средняя скорость дрейфа носителей под действием данного поля, E – абсолютная величина напряженности этого поля.

Подвижность носителей заряда в полупроводниках зависит от температуры, так как тепловое хаотическое колебание частиц мешает упорядоченному движению.

Основные причины, влияющие на температурную зависимость подвижности это рассеяние на: 1) тепловых колебаниях атомов или ионов кристаллической решетки; 2) атомах или ионах примесей; 3) дефектах решетки (пустых узлах, искажениях, связанных с внедрением иновалентных ионов, дислокациями, трещинами и т. д.)

Подробнее:
Кафедра физики электротехнических материалов, «ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОМАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ»,
http://ftemk.mpei.ac.ru/foetm/files/foetm_book03.htm

При низких температурах преобладает рассеяние на примесях и подвижность изменяется согласно выражению:

$\mu = a \cdot T^{\frac{3}{2}}$

где а – параметр, зависящий от материала.

При высоких температурах преобладает рассеяние на тепловых колебаниях решетки:

$\mu = b \cdot T^{\frac{3}{2}}$

где b – параметр, зависящий от материала.

В примесном полупроводнике имеет место как одна, так и другая составляющие и зависимости μ(T) определяются выражением

$\mu = \frac {1} {\frac{1}{a} \cdot T^{\frac{3}{2}}+\frac{1}{b} \cdot T^{\frac{3}{2}}}$

Характер изменения μ от температуры для собственного и примесного полупроводника показан на рисунке.

4. Токи утечки

Основные причины возникновения тока утечки следующие:

а) Зависимые от температуры. Образование неосновных носителей при нагревании, воздействии радиации и нарушениях структуры кристаллической решетки. В этих случаях образуются электронно-дырочные пары и носители заряда, которые являются неосновными, свободно проходят через р-п переход, смещенный в обратном направлении для основных носителей. Образование электронно-дырочных пар при нагревании является наиболее существенной причиной возрастания тока утечки. В общем случае возрастание обратного тока составляет примерно 10% на 1°С (ток увеличивается приблизительно в 2 раза при нагревании на 8°С). По этой причине применение германиевых полупроводниковых приборов ограничивается диапазоном температур не выше 70°С. Кремниевые приборы могут применяться вплоть до 150°С

Подробнее:
https://lektsia.com/1x3bb4.html – Полупроводниковые диоды

б) Независимые от температуры. Поверхностные токи утечки являются существенным фактором только для кремниевых приборов, в которых тепловой ток утечки весьма незначителен. Поверхностный ток утечки часто обусловлен загрязнением поверхности и в конечном итоге снижает обратное сопротивление перехода

Подробнее:
Фишер Дж.Э – «Электроника – от теории к практике»

Это связано в первую очередь с утечкой и основных носителей из зон проводимости.

Наличие изолятора позволяет получить более широкую валентную зону, благодаря которой уменьшается утечка носителей из зон с инверсной заселенностью.

Данный подход реализуется при производстве кремния на изоляторе (SoI).

Зависимость токов утечки в полупроводниках типа SOI и Bulk от температуры

Удельная проводимость полупроводника

Уменьшение удельной проводимости связано с истощением примесных уровней, рассеянием носителей на фононах (тепловых колебаниях решетки) и дефектах решетки при увеличении температуры.

В области собственной электропроводности:

$\gamma_G = \gamma_0 \cdot e^{\frac {-E_G}{2kT}}$

В области примесной электропроводности:

$\gamma_p = \gamma_1 \cdot e^{\frac {-E_p}{2kT}}$

где γ₀ и γ₁ – удельные проводимости

Зависимость удельной проводимости от температуры

5. Пороговое напряжение

Влияние температуры на пороговое напряжение полупроводниковых устройств имеет практически линейную зависимость.

Подробнее:
Ivan Bahun, Neven Čobanov, Željko Jakopović – Real-Time Measurement of IGBT’s Operating Temperature

И описывается формулой:

$F= \left( \frac {kT}[q}\right) \ln{\left(\frac{N_A}{N_i}}\right)$

где F – половина контактной разности потенциалов , q –элементарный заряд, N_a – показатель легирования, N_i – показатель собственного легирования полупроводника.

Контактная разность потенциалов — это разность потенциалов, возникающая при соприкосновении двух различных твердых проводников, имеющих одинаковую температуру.

Зависимость порогового напряжения в транзисторе от температуры

После рассмотрения некоторых из факторов, зависящих от температуры и влияющих на процессы в полупроводниковых устройствах, перейдем к обзорной таблице высокотемпературных полупроводниковых элементов, доступных в данное время на рынке.

Тип устройства	Максимальная рабочая температура, град.	Модель	Производитель
Диоды и стабилитроны
Стабилитроны	200	BZX79C3V9	ON Semiconductor
Стабилитроны	200	BZX79C3V10	ON Semiconductor
Диоды и выпрямители Шоттки	200	1N5711	STMicroelectronics
Стабилитроны	200	1N5336BRLG	ON Semiconductor
Стабилитроны	200	1N4465 BK	Central Semiconductor
Диоды	200	1N4152 BK	Central Semiconductor
Диоды	200	1N4531,113	Nexperia
Диоды	200	BAS32L,115	Nexperia
Транзисторы
Биполярные транзисторы	200	BCY79	Central Semiconductor
МОП-транзистор SMD	225	PXAC210552FC-V1-R0	Wolfspeed
полевые транзисторы	225	GTVA220701FA-V1-R0	Wolfspeed
полевые транзисторы	275	T1G2028536-FL	Qorvo
МОП-транзисторы	225	PTFC270101M-V1-R1K	Wolfspeed
Микроконтроллеры ARM
Микроконтроллеры ARM	200	VA10800-CQ12803ECA,	VORAGO
		VA10800-PQ12803PCA,
		VA10800-D000003PCA
Микроконтроллеры ARM	220	SM470R1B1MHKPS,	Texas Instruments
		SM470R1B1MPGES,
		SM470R1B1MHFQS
Процессоры и контроллеры цифровых сигналов	220	SM320F2812HFGS150	Texas Instruments
Процессоры и контроллеры цифровых сигналов	210	SM320F28335PTPS,	Texas Instruments
Процессоры и контроллеры цифровых сигналов	210	SM320F28335GBS	Texas Instruments
Операционные усилители
Операционные усилители	210	OPA2333HD	Texas Instruments
Прецизионные усилители	210	OPA211SHKJ	Texas Instruments
Дифференциальные усилители	210	THS4521HD	Texas Instruments
Измерительные усилители	210	INA333SHKQ	Texas Instruments
Измерительные усилители	210	AD8229HRZ	Analog Devices
Измерительные усилители	210	AD8229HDZ	Analog Devices
Прочее
Мультиплексор	210	ADG5298, ADG798	Analog Devices
Операционные усилители	210	AD8634	Analog Devices
ADC	210	AD7981 FLATPACK	Analog Devices
ИОН	210	ADR225	Analog Devices

Компания microsemi выпускает микросхемы МК и ПЛИС с расширенными возможностями по температуре, однако не предоставляет данных о них в свободном доступе.

Компания tekmos предлагает выпуск микросхем с необходимыми характеристиками.

Подробнее:
https://www.tekmos.com/products/asics/high-temperature-250-c-asics

Припои и их использование в высокотемпературных приложениях

Самым качественным соединением, которое не будет образовывать пустоты Киркендала и будет защищено от коррозии, является монометаллическая связь (a monometallic bond).

Подроднее:
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/high-temperature-electronic-pose-design-challenges.html

В случае, если этого добиться невозможно, то используют следующий подход:

Книга без авторов по промышленной сварке
При необходимости работы соединения в широком диапазоне температур, с явными перепадами температуры по изделию, используют припои с высоким сродством материалов припоя материалам изделия и близким коэффициентом температурного расширения

По температуре плавления можно разделить припои на следующие категории:

а) низкотемпературные (Тпл до 450 град., на основе галлия, индия, олова, висмута, цинка, свинца и кадмия): особолегкоплавкие (Тпл до 145 градусов), легкоплавкие (Тпл=145…450 град.);

б) высокотемпературные (Тпл более 450 град., на основе меди, алюминия, никеля, серебра, железа, кобальта, титана): среднеплавкие (Тпл=450…1100 град.), высокоплавкие (Тпл=1100…1850 град.), тугоплавкие (Тпл более 1850 град.).

Приведем таблицы припоев, выпускаемых для производства плат.

Из таблицы видно, что классический припой слабо подходит ПОС-60 для применения в высокотемпературных приложениях.

В справочнике (к, сожалению, автора не записал) представлены таблицы:

Возьмем пример использования следующего припоя компанией Analog Devices в одной высокотемпературной плате HMP solder 5/93.5/1.5 Sn/Pb/Ag.

Подробнее про эту плату:
https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/high-temperature-electronic-pose-design-challenges.html

Из таблицы видно, что температура солидуса данного припоя составляет примерно 217 градусов, а значит и применение данной платы, разработанной компанией, ограничено как минимум по температуре плавления припоя.

Отметим также особо тугоплавкие припои, которые возможно использовать при соединении провода в ответственных местах наиболее подверженных влиянию высоких температур:

Медно-цинковые припои более тугоплавки (Тпл более 900 град. при количестве цинка до 39%), применяются для пайки углеродистых сталей и разнородных материалов. Потери цинка в виде испарений изменяют свойства припоя и вредны для здоровья, как и пары кадмия. Для снижения этого эффекта в припой вводят кремний.
Медно-никелевые припои подходят для пайки деталей из коррозионно-стойких сталей. Никелевая составляющая повышает Тпл. Для ее снижения в припой вводят кремний, бор, марганец.
Серебряные припои изготавливают в виде системы «медь-серебро» (Тпл=600…860 град.). Серебряные припои содержат в своем составе добавки, снижающие Тпл (олово, кадмий, цинк), и повышающие прочность соединения (марганец и никель). Серебряные припои являются универсальными и применяются для пайки металлов и неметаллов.

При пайке жаропрочных сталей применяют никелевые припои системы «никель-марганец». Помимо марганца такие припои содержат и другие добавки, повышающие жаропрочность: цирконий, ниобий, гафний, вольфрам, кобальт, ванадий, кремний и бор.