高温电子设备带来设计和可靠性挑战（1）_高温线
介绍
许多行业都需要能够在包括极高温度在内的恶劣环境中可靠运行的电子产品（包含高温线，高温电源线）。传统上，工程师在设计必须在正常温度范围之外运行的电子设备时必须依靠主动或被动冷却，但在某些应用中，冷却可能是不可能的——或者让电子设备在高温下运行以提高系统可靠性可能更有吸引力或降低成本。这种选择提出了影响电子系统许多方面的挑战，包括硅、封装、鉴定方法和设计技术。
高温应用
高温电子设备 (>150°C) 的历史最悠久、目前最大的用户是井下石油和天然气行业（图 1）。在该应用中，工作温度是井下深度的函数。在世界范围内，典型的地温梯度为 25°C/km 深度，但在某些地区，它更大。
过去，钻井作业的最高温度为 150°C 至 175°C，但易于获取的自然资源储量下降，加上技术进步，促使该行业以及世界上拥有地温梯度较高。这些敌对油井的温度可能超过 200°C，压力超过 25 kpsi。在这种恶劣的环境中，主动冷却是不实用的，而当加热不局限于电子设备时，被动冷却技术就无效。
高温电子设备在井下工业中的应用可能相当复杂。首先，在钻井作业期间，电子设备和传感器控制钻井设备并监测其健康状况。随着定向钻井技术的出现，高性能地质导向仪器必须将钻孔位置引导至精确的地质目标。
在钻井时或之后不久，复杂的井下仪器会获取有关周围地质构造的数据。这种称为测井的做法测量电阻率、放射性、声波传播时间、磁共振和其他特性以确定地层的特征，例如岩性、孔隙度、渗透率和水/烃饱和度。这些数据使地质学家能够判断地层中的岩石类型、存在的流体类型及其位置，以及是否可以从含流体区实际提取足够量的碳氢化合物。
最后，在完成和生产阶段，电子系统监控压力、温度、振动和多相流，并主动控制阀门。满足这些需求需要完整的高性能组件信号链（图 2）。系统可靠性至关重要，因为设备故障导致的停机成本可能非常严重。在地下数英里的钻柱上发生故障的电子组件可能需要一天多的时间才能恢复和更换——而操作复杂的深水海上钻井平台的费用约为每天 100 万美元！
其他用户：除了石油和天然气行业，其他应用，如航空电子设备，也正在兴起用于高温电子设备。航空业现在越来越倾向于“电动飞机”（MEA）。该计划的一部分旨在用分布式控制系统取代传统的集中式发动机控制器。1集中控制需要具有数百条导体和多个连接器接口的大型、重型线束。转向分布式控制方案使发动机控制装置更靠近发动机（图 3），将互连的复杂性降低了 10 倍，节省了数百磅的飞机重量，2并提高系统的可靠性（部分估计为连接器引脚数的函数（根据 MIL-HDBK-217F））。3
然而，折衷方案是发动机附近的环境温度范围为 –55°C 至 +200°C。尽管在此应用中可以冷却电子设备，但出于两个原因不希望这样做：冷却会增加飞机的成本和重量，最重要的是，冷却系统的故障可能会导致控制关键系统的电子设备发生故障。
MEA计划的另一个方面是用电力电子和电子控制取代液压系统，以提高可靠性并降低维护成本。理想情况下，控制电子设备需要非常靠近执行器，这又会产生高环境温度环境。
汽车行业为使用高温电子设备提供了另一种新兴应用。与航空电子设备一样，汽车工业正在从纯机械和液压系统向机电或机电系统过渡。4这需要将传感器、信号调节和控制电子设备放置在靠近热源的位置。
最高温度和暴露时间因车辆类型和车辆上电子设备的位置而异（图 4）。例如，电气和机械系统的更高集成度，例如变速器和变速器控制器的搭配，可以简化汽车子系统的制造、测试和维护。5电动汽车和混合动力汽车需要具有高能量密度的电力电子设备，用于转换器、电机控制和充电电路，这些电路也与高温相关。
高温电子设备带来设计和可靠性挑战
介绍
许多行业都需要能够在包括极高温度在内的恶劣环境中可靠运行的电子产品。传统上，工程师在设计必须在正常温度范围之外运行的电子设备时必须依靠主动或被动冷却，但在某些应用中，冷却可能是不可能的——或者让电子设备在高温下运行以提高系统可靠性可能更有吸引力或降低成本。这种选择提出了影响电子系统许多方面的挑战，包括硅、封装、鉴定方法和设计技术。
高温应用
高温电子设备 (>150°C) 的历史最悠久、目前最大的用户是井下石油和天然气行业（图 1）。在该应用中，工作温度是井下深度的函数。在世界范围内，典型的地温梯度为 25°C/km 深度，但在某些地区，它更大。
过去，钻井作业的最高温度为 150°C 至 175°C，但易于获取的自然资源储量下降，加上技术进步，促使该行业以及世界上拥有地温梯度较高。这些敌对油井的温度可能超过 200°C，压力超过 25 kpsi。在这种恶劣的环境中，主动冷却是不实用的，而当加热不局限于电子设备时，被动冷却技术就无效。
高温电子设备在井下工业中的应用可能相当复杂。首先，在钻井作业期间，电子设备和传感器控制钻井设备并监测其健康状况。随着定向钻井技术的出现，高性能地质导向仪器必须将钻孔位置引导至精确的地质目标。
在钻井时或之后不久，复杂的井下仪器会获取有关周围地质构造的数据。这种称为测井的做法测量电阻率、放射性、声波传播时间、磁共振和其他特性以确定地层的特征，例如岩性、孔隙度、渗透率和水/烃饱和度。这些数据使地质学家能够判断地层中的岩石类型、存在的流体类型及其位置，以及是否可以从含流体区实际提取足够量的碳氢化合物。
最后，在完成和生产阶段，电子系统监控压力、温度、振动和多相流，并主动控制阀门。满足这些需求需要完整的高性能组件信号链（图 2）。系统可靠性至关重要，因为设备故障导致的停机成本可能非常严重。在地下数英里的钻柱上发生故障的电子组件可能需要一天多的时间才能恢复和更换——而操作复杂的深水海上钻井平台的费用约为每天 100 万美元！
其他用户：除了石油和天然气行业，其他应用，如航空电子设备，也正在兴起用于高温电子设备。航空业现在越来越倾向于“电动飞机”（MEA）。该计划的一部分旨在用分布式控制系统取代传统的集中式发动机控制器。1集中控制需要具有数百条导体和多个连接器接口的大型、重型线束。转向分布式控制方案使发动机控制装置更靠近发动机（图 3），将互连的复杂性降低了 10 倍，节省了数百磅的飞机重量，2并提高系统的可靠性（部分估计为连接器引脚数的函数（根据 MIL-HDBK-217F））。3
然而，折衷方案是发动机附近的环境温度范围为 –55°C 至 +200°C。尽管在此应用中可以冷却电子设备，但出于两个原因不希望这样做：冷却会增加飞机的成本和重量，最重要的是，冷却系统的故障可能会导致控制关键系统的电子设备发生故障。
MEA计划的另一个方面是用电力电子和电子控制取代液压系统，以提高可靠性并降低维护成本。理想情况下，控制电子设备需要非常靠近执行器，这又会产生高环境温度环境。
汽车行业为使用高温电子设备提供了另一种新兴应用。与航空电子设备一样，汽车工业正在从纯机械和液压系统向机电或机电系统过渡。4这需要将传感器、信号调节和控制电子设备放置在靠近热源的位置。
最高温度和暴露时间因车辆类型和车辆上电子设备的位置而异（图 4）。例如，电气和机械系统的更高集成度，例如变速器和变速器控制器的搭配，可以简化汽车子系统的制造、测试和维护。5电动汽车和混合动力汽车需要具有高能量密度的电力电子设备，用于转换器、电机控制和充电电路，这些电路也与高温相关。
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