高温电子设备带来设计和可靠性挑战（3）_高温线
验证、鉴定和测试
在实验室中验证高温线组件并非易事，因为它需要工程师结合前面提到的所有技术来测试极端温度下的性能。除了在测试夹具的构造中使用特殊材料外，测试工程师还必须小心操作环境室，使系统能够适应所需的温度变化。由于膨胀系数的不匹配，快速的温度变化会导致 PC 板上的焊点损坏、翘曲，并最终导致系统过早失效。业界采用的指导方针是将温度变化率保持在每分钟 3°C 以下。
为了加快寿命和可靠性测试，电子元件公认的做法是在高温下进行测试。这引入了由 Arrhenius 方程定义的加速因子 α：
其中E a是活化能，k是玻尔兹曼常数，T a是使用期间的预期工作温度，T s是应力温度。尽管加速老化对标准产品很有效，但将应力温度提高到远高于额定温度可能会引入新的失效机制并产生不准确的结果。因此，为保证AD8229等高温器件的寿命可靠性，高温工作寿命测试(HTOL) 在最高额定温度 210°C 下运行 1000 小时（大约六周）。对于较低温度，可以使用图 11 中所示的加速度关系预测预期寿命。
高温 IC 的可靠表征还有其他障碍。例如，所使用的测试和测量系统的可靠性取决于其最薄弱的环节。这意味着每个长时间暴露在高温下的元件都必须比 IC 本身更可靠。不可靠的系统将产生不代表组件长期可靠性的数据，并将导致成本高昂且耗时的过程重复。提高成功率的统计技术包括准确地加大测试样本的大小，以便为不是由 DUT（被测设备）故障引起的过早系统故障增加误差范围。
另一个障碍是保证极端性能参数所需的生产步骤，例如测试、探测和修整。开发团队需要为高温产品定制这些步骤。
高温系统设计注意事项
在高温下工作的电路设计人员必须考虑 IC 参数和无源元件在很宽的温度范围内的变化，密切关注它们在极端温度下的行为，以确保电路在目标范围内工作。示例包括偏移和输入偏置漂移、增益误差、温度系数、额定电压、功耗、电路板泄漏和其他分立器件的固有泄漏，例如 ESD 和过压保护器件中使用的那些。例如，在高源阻抗与放大器输入端串联的情况下，不需要的泄漏电流（放大器自身的偏置电流除外）会产生偏移，从而导致偏置电流测量误差（图 12）。
在所有情况下，高温操作都会加剧由焊剂、灰尘和冷凝等污染物引入的电路板泄漏。适当的布局可以通过在敏感节点之间提供足够的间距来帮助最小化这些影响——例如，将放大器输入与嘈杂的电源轨分开。
运算放大器和仪表放大器的标准引脚排列将输入端子之一放置在负电源端子旁边。这显着降低了组装后 PCB 助焊剂残留物的容差，这些残留物会导致泄漏增加。为了减少泄漏并提高高频 CMRR，AD8229 采用了与 Analog Devices 制造的其他精密仪表放大器相同的高性能引脚排列（图 13）。
二极管、瞬态电压抑制器 (TVS) 和其他半导体器件的泄漏随温度呈指数增长，并且在许多情况下，可能比放大器的输入偏置电流大许多数量级。在这种情况下，设计人员必须确保极端温度下的泄漏不会使电路规格降低到超出所需限制。
如今，有几种无源元件可用于高温操作。电阻器和电容器在任何电路设计中无处不在。一些商业上可用的选项如表 1 所示。
请注意，如果表面贴装元件的主体靠在 PC 板上，则端子之间容易发生泄漏，因为在组装过程之后，助焊剂残留物往往会留在下方。这些残留物会吸湿，在高温下会增加它们的导电性。在这种情况下，寄生电阻（具有相当不可预测的行为）将出现在表面贴装元件上，可能会引入额外的电路错误。为了克服这个问题，考虑在电路中特别敏感的区域选择更大的芯片尺寸、鸥翼形引线或通孔元件。最终，通过在组装过程结束时添加有效的电路板清洗步骤（通常使用超声波或皂化剂），几乎可以消除这种不需要的残留物。
将在恶劣环境中运行的系统设计人员必须牢记热管理。即使是为高环境温度设计的组件，也要考虑与其功耗相关的自热。就 AD8229 而言，它在高达 210°C 的保证工作温度下假设输出电流负载很小。由驱动重负载或永久性故障条件（例如输出短路）引起的额外功率耗散会使结温升高，超出器件的最大额定值，从而大大缩短放大器的工作寿命。遵循推荐的散热指南并注意邻近的热源，例如电源调节器，这一点很重要。
即使是高温电阻器在 70°C 以上的额定功率也会降低。特别注意预期工作温度下的电阻器温度额定值，尤其是当它们会消耗大量功率时。例如，如果一个额定值为 200°C 的电阻器在 190°C 的环境温度下工作，但如果由于功耗而导致的自发热为 20°C，它将超过其额定值。
虽然许多无源元件可以承受高温，但它们的结构可能不适合长期暴露在高温与冲击和振动相结合的环境中。此外，高温电阻器和电容器的制造商指定了在给定温度下的工作寿命。匹配所有组件的使用寿命规格对于获得高可靠性系统非常重要。最后，不要忽视许多额定为高温的组件可能需要额外降额才能实现持久运行。
案例研究：绘制烤箱中的热梯度
作为高温应用中两个合适器件的演示，AD8229 和ADXL206（双轴加速度计）在便携且使用安全的高温环境中运行。该演示使用带有旋转组件的小型电烤箱，在该组件上安装了高温 PCB 并连续运行。烤箱内的加热元件位于顶部附近。这种布置在烤箱的体积内产生了很大的温度梯度。旋转机构适用于可以结合温度和位置测量的实验。
AD8229 调节来自 K 型热电偶的信号，该热电偶在烤箱内不断旋转。热电偶探头伸出 PCB 约 6″ — 更好地测量烤箱温度的变化。同时，ADXL206 测量旋转角度。三个信号（温度梯度、x 加速度和 y 加速度）是通过额定为高温操作的滑环（旋转连接器）发送。滑环保持与非旋转线束的连接，该线束连接到烤箱外部的数据采集板。由于“冷端”位于烤箱内部，第二个热电偶为内部温度提供静态参考。AD8495热电偶放大器（也在外部烤箱）使用其集成的冷端补偿来调节附加热电偶的信号。
烤箱内的板位于旋转组件的中心附近，大约温度为 175°C。该板的结构使用聚酰亚胺材料。铜层上的轨道使用最小宽度为 0.020″ 以提高铜对预浸材料的附着力（图 14）。使用标准 HMP 焊料 (5/93.5/1.5 Sn/Pb/Ag) 和 Teflon- 连接组件涂层线用于连接电路板和滑环。
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