高溫惡劣環境下的特殊IC設計與驗證方案
- DIGITIMES企畫
-
針對車用電子或是特殊惡劣環境應用的電子設備、工業控制電腦等，會特別要求零組件的抗候能力，尤其是抗高溫的需求通常會優先於性能與功耗要求，電子設備若因為高溫環境出現元件失效，通常造成的損失與潛在的危險肯定影響極大，不只是晶片本身的抗候能力備受考驗，整體電子設備的細節設計，也必須針對高溫環境以更嚴苛的標準檢視。
因應需要在高度惡劣環境下工作的電子設備，例如戶外LED看板、露天設置的Kiosk、LED路燈、車用電子設備、航空器、工業用電腦等電子裝置，對於所使用的晶片方案大多有更高的溫度使用範圍要求。甚至有些工作溫度特殊的環境，對於電子設備的抗溫要求動輒大於150度以上，面對這類特殊高溫環境的晶片設計，需考量的設計重點相當多。
晶片本身的功能性與抗候特性
因應特殊高溫環境，溫度的環境因素會影響電子電路的正常運行，在過去若無法取得特殊具高溫運行能力的元件，工程師多半會選擇高於電路設計所需的額定電壓、電流之高規格元件，來滿足開發需求。但選擇遠高於額定需求的高規格元件，實際上並非高溫環境應用下電子電路設計的最佳方案，一來高額定規格的器件在料件成本較高，器件尺寸也相對較大許多，至於選擇高額定規格的料件到底要多高，其實也沒有一個標準，多半靠工程師的經驗判斷，但為了讓設備穩定運行，多半設計也會做了超額的規格設計，造成整體設計的成本居高不下。
而實際應用時，雖然較高額定的器件，可在嚴苛環境運行，但實際上高額定元件雖能應付高溫環境運行，像是IC或被動元件等，但在過高的環境溫度確實也會讓電子電路處於高風險狀態，危險性也會偏高，甚至因為高溫環境而造成器件的壽命大幅遞減，而較高的額定電壓、電流並不代表器件的耐溫度較高，這是必須在設計前就必須理解的關鍵問題。
而憑藉積體電路設計方案越來越精進，針對高溫環境條件下開發的特殊耐候器件，其實會比刻意調高器件的額定電氣條件要更有實際作用，因為特殊耐候型元件，可有效抑制高溫下的漏電流而不致於飆高溫度，影響器件正常運行，包含電子遷移率等積體電路的運作表現，也能在高溫下維持正常運行。例如SOI方案即可將器件運行環境溫度拉高至200℃上下，若是SiC類型的IC，甚至可以在500~600℃的條件下運行，但這些特殊設計方案通常僅有針對功率相關的簡單器件設計。
封裝材料與晶片引腳與焊接接點問題
IC器件的封裝材料，基本上也是影響運行合理溫度範圍的重要關鍵，一般塑料封裝設計，可以因應約160~170℃的環境溫度而不致於讓封裝料出現過熱燒融，但長期高溫，則會出現塑料封裝易碎的問題。
多數器件受到高溫減低壽命或損壞，其實很難判斷是因為裡頭的矽晶片或是封裝材料的耐熱問題引起，為了達到高溫穩定運行的封裝條件，特殊高溫環境的應用條件下，通常會選用耐熱係數更高的陶瓷封裝設計方案，來滿足高溫環境的晶片保護目的。
環境溫度問題，會影響的也不光只是晶片器件的外部封裝材質，晶片的引腳、焊接點與PCB電路板的焊接方法，也會出現不少溫度相關問題。例如，高溫條件下有時還要考量元件是否會面對衝擊與環境震動等情況，而多數設計可以利用相對穩固的引腳設計與焊接面接法，來強化器件在PCB上的穩固程度，但一樣的問題若碰上以小型化封裝為設計型態的IC器件，因為這些器件大多僅利用錫球接面進行組裝，碰上高溫環境就容易出現焊點脫離、錫裂等問題，而造成設備因熱而導致的故障問題。
有些特殊高溫設計方案，使用裸裝晶片進行組裝其實會更能整體考量耐溫設計，例如，先用裸裝晶片先在載板上設置、連接後，再使用統一耐高溫的封裝料或特殊封蓋封裝，也能達到較佳的耐高溫設計方案。
事實上，針對高溫應用環境以可適應之矽晶片製程製作的器件，其實只是滿足因應高溫運行充要條件的一半而已，因為IC器件畢竟還要與載板進行組裝與貼合，若焊料與金屬接腳的銜接形式，無法達到抵禦高溫環境的應用條件，即便IC器件能滿足高溫運行需求，在載板溫度變化造成的熱脹冷縮、或是錫球受熱出現溫度反覆變化產生材料斷裂，小則影響器件的導通狀態，大則可能令設備無法正常運行。
尤其是錫料部分，在高溫的環境下金屬的邊際接口處大多會生成化合物，這類化合物會影響錫塊的導電性，甚至會導致焊接面出現易裂或碎裂問題，若器件採表面黏著型態貼合與簡易組裝，在長時間高溫環境下運行肯定會讓接面出現貼合問題，這也是為什麼高溫環境應用的關鍵零組件都特別重視料件的焊接問題，大多採行更強固的焊接手段來接合關鍵零組件。
高溫要求的驗證實作
在設計完成需在高溫條件下運行的產品時，選用器件、組件與PCB材料，雖然也是相當重要的工作項目，但更重要的是產品設計是否真能如願因應高溫環境條件正常運行！而驗證方式就是模擬高溫環境條件，逐項檢視功能面、料件耐受環境的能力與可能出現的壽命問題。
而在實驗室驗證高溫應用環境的器件變化，本來就不是一件容易的事情，因為工程人員必須擁有大量的經驗，才能部署類似真實環境的應用條件，觀察個別器件的實際反應與壽命分析，也必須憑藉經驗搭配量測技術進行精密分析。尤其是料件本身與PCB板材兩者的溫度係數均不同。
料件因應溫度產生的膨脹或翹曲，跟PCB板的翹曲表現肯定不會同步，在這種溫度高低變化材料也隨之變化的條件下，料件焊點的溫度變化會加速材料劣化的現象發生，不只是翹曲變形，連焊點自己本身都可能受溫度影響出現錫裂問題。在溫度可控的實驗室條件下，必須以不同溫度區間近行材料翹曲、焊點微觀等關鍵重點進行檢測與記錄分析。
雖然目前因應熱環境而推出的特殊耐熱器件越來越多，讓工程人員不用再瞎子摸象使用經驗法則，刻意加大料件的額定條件來架構高溫環境的應用設計，但實際上選用耐高溫材料是一個設計方向，但要做出高溫條件下仍可正常應用的設計電路，反而需要更縝密的驗證與覆測，以確保新的設計方案能適應不同的環境問題，避免設備出現因高溫而產生的故障現象，同時確保設備或功能可穩定運行。
