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性を考慮するとき、ワイヤに使用する金属の適合性と、接着パッドのメタライゼーションを十分に配慮する必要があります。ボンディング金属が適合していないと、2種類の故障が発生します。境界界面で金属間化合物(IMC)が成長することによって接着がもろくなること、そして拡散(カーケンドール効果)によって境界面にボイド(空隙)が生じ、接着の強度を弱め、抵抗を大きくすることです。残念ながら、業界で最も一般的な金属の組み合わせの1つ(金配線とアルミニウム接着パッドのメタライゼーション)では、高温になるとこのような現象が発生する傾向があります。図7は、Au/Al接着部の断面ですが、IMCの成長が見られます。高温下で500時間経過すると、この現象により接着の質が損なわれます。金属間化合物が大きく成長し、カーケンドール・ボイドが生じている状態です。悪いことに、モールディング・コンパウンドによく見られる臭素や塩素などのハロゲンは、高温で境界界面に腐食を引き起こすことがあり、故障までの時間を加速します(ただし、幸いにして業界はハロゲンフリーの「グリーンな」モールディング・コンパウンドを使用する方向に進んでいます)。このような悪影響を防ぐために、ボンディング・ワイヤと接着パッドに同じ金属(モノメタリック・ボンド)を使用する動きが高まっていますが、それが不可能な場合、IMC成長と拡散率が十分に低く、要求される寿命期間にわたって信頼性を維持できる金属を選択する必要があります。図9は、高温でのモノメタリック・ボンドの堅牢性を示しています。接着断面には、195°Cでの3000時間後でもIMC成長の徴候はありません。モノメタリック・ボンド(195°C、3000時間後)ICパッケージは、苛酷な環境から受けるストレスにも耐える必要があります。プラスチック・パッケージは業界標準ですが、従来から連続使用で150°Cという定格に規定されています。最近の高温アプリケーションに対する関心の高まりを受け、比較的短い期間であるものの、この定格値を175°Cまで高めることができることが複数の調査で確認されています。パッケージ構造にもよりますが、175°Cと言えば、モールディング・コンパウンドなどの一部の材料ではガラス転移温度を上回る値に相当します。TGを上回る温度で動作させると、CTEや曲げ弾性率などの重要なパラメータに大きな機械的変化が生じることがあり、熱歪みの増加によって層間剥離や亀裂などの障害が発生することがあります。8このため、高温アプリケーションにはハーメチック・セラミック・パッケージが好まれています(図10)。ハーメチック・シールは、腐食の原因となる湿気と汚染の侵入を防ぐバリアになります。残念ながら、ハーメチック・パッケージは、プラスチック・パッケージに比べて一般に大きく、重く、かなり高価です。温度条件がそれほど極端でない(<175°C)アプリケーションでは、基板面積を節約し、コストを低減し、優れた振動コンプライアンスを提供することを考え、プラスチック・パッケージのほうがよいかもしれません。ハーメチック・パッケージングが必要であり、しかも部品密度が高いシステムには、高温マルチチップ・モジュールを使用するのがよいでしょう。その場合は、既知の優れたダイを使用することが条件になります。ハーメチック・シールドのサイドブレーズ・セラミックDIPパッケージパッケージのリードの構成とメタライゼーションも評価する必要があります。表面実装部品は、銅層と予備含浸(プリプレグ)材料の間の接着剤の品質と接着パッド領域だけで評価が違ってきます。他方、業界で最も実績のある、信頼性の高いパッケージの1つであるスルーホールDIP構成も、衝撃や振動に強い性能があります。極端な場合、ボードの底面にあるピンを曲げてPCボードに引っ掛けることで接続強度をさらに高めることができますが、スルーホールのピン配置ではボードの底面に部品を実装することができません。スペースの制約が厳しいダウンホール計器などのアプリケーションにとっては、この点は大きな問題になるでしょう。多くの場合、代わりにガルウイングSMTのリード構成を利用することができますが、無鉛SMTは高温環境に多い高い衝撃と振動が存在する条件下では堅牢性が不足するかもしれません。SMT部品を使用するとき、設計者は、その厚みと大きさを考慮する必要があります。高温エポキシを塗布すれば、接続強度は改善されますが、製造コストが増え、修理の可能性に限界ができます。いずれの場合も、リードのメタライゼーションは高温ハンダと適合するものでなければなりません。一般的な標準ハンダ合金の融点は200°C未満です。融点が250°Cを優に上回り、「高融点」(HMP)に分類される手に入りやすい合金もいくつかあります。そのような場合でも、ストレスを受けるハンダの推奨最大動作温度は、その融点よりも約40°C下回ります。5%のスズ、93.5%の鉛、1.5%の銀という標準的なHMPハンダ合金の融点は294°Cですが、推奨できる最大使用温度は約255°Cです。BGA(ボール・グリッド・アレイ)パッケージのハンダ・ボールは工場取り付けになりますが、その融点はあまり高くありません。最後に、PCボードそのものが故障源になることがあります。180°Cでガラス転移温度に達します。短い時間でもこの温度を上回る状態で使用すると、膨張して剥離することがあります。実証済みの優れた代替品はポリイミドです。これはカプトンで使用されるものと同じ材料であり、組成によっては250°Cという高いTGを持ちます。ポリイミドは吸湿特性が非常に高いため、さまざまなメカニズムによって短時間でPCボードの故障を引き起こします。したがって、湿気にさらされないように管理することが重要です。近年では、湿気の吸収が少なく、高温でも品質を維持する新種のラミネートが発売されています。検証、認定、テストラボでの高温部品の検証は、簡単な作業ではありません。前述のすべての技術を取り入れて、温度範囲の両極で性能をテストしなければなりません。テスト治具の作成に特別な材料を使用することに加えて、環境試験室の使用に注意を払い、要求される温度変化にシステムが順応できるようにする必要があります。膨張係数が一致していないと、急激な温度変化によってPCボード上のハンダ接合部に損傷や歪みが生じ、最終的に早期のシステム障害を招くことがあります。業界で使用されているガイドラインでは、温度変化は毎分3°C未満にするようにと定められています。寿命と信頼性のテストを加速するために電子部品用に認められている手法は、高温でテストを実施することです。この場合、加速係数(α)を使用しますが、これはアレニウスの式によって定義されています。ここで、Eaは活性化エネルギー、kはボルツマン定数、Taは使用時に想定される動作温度、Tsはストレス温度です。加速エージングは標準的な製品に対してはうまく機能しますが、定格温度をはるかに上回る値までストレス温度を上げると、新しい故障メカニズムが発生し、誤った結果が出ることがあります。このため、AD8229のような高温デバイスの寿命信頼性を保証するために、高温動作寿命(HTOL)テストを1000時間(およそ6週間)、210°Cという最大定格温度で実施しました。低い温度の場合、想定される寿命期間は加速度の関係を用いて図11に示すように予測することができます。AD8229の動作温度(1000時間@210°C)と寿命期間の関係11高温ICについて信頼性の高い特性評価を行うには、ほかにも障害があります。使用する試験測定機器システムの信頼性は、その最も弱いリンクによって決まります。長期間にわたって高温にさらされるすべての素子は、本質的にICそのものよりも信頼性が高いものでなければなりません。信頼性の低いシステムでは、得られたデータは部品の長期の信頼性を表しておらず、コストと時間のかかるプロセスを繰り返すだけで終わってしまうことになります。成功率を高めるための統計技術には、テスト・サンプルを正確に拡大することが含まれており、これによってDUT(被試験デバイス)の故障に起因しない早期のシステム故障を考慮した許容誤差を加えることができます。1つの困難は、テスト、プロービング、トリミングなど、極端な条件下での性能パラメータを保証するために必要な生産プロセスにあります。開発チームは、これらのプロセスを高温製品向けに調整する必要があります。高温で動作する回路の設計では、広い温度範囲におけるICパラメータと受動部品の変化を考慮に入れるために、目標の限界内での回路動作が保証されるよう温度範囲の両極での動作に十分注意する必要があります。ボードリーク、ほかのディスクリート・デバイス(ESDに使用するデバイスや過電圧保護デバイスなど)の固有リークなどに注意します。高ソース・インピーダンスがアンプの入力端子と直列になっている場合、リーク電流(アンプそのもののバイアス電流以外)によってオフセットが生じ、バイアス電流の測定に誤差が生じることがあります(図12)。バイアスとリークによって生じるオフセット誤差いずれの場合も、高温動作は、汚染物質(ハンダ用フラックス、粉塵、結露など)によって発生するボード・リークを悪化させます。正しいレイアウトでは、影響を受けやすいノード間に十分間隔を設ける(たとえば、ノイズの多い電源レールとアンプ入力を分離する)ことによって、これらの影響を最小限に抑えることができます。オペアンプと計装アンプの標準ピン配置では、入力端子の1つを負電源端子の横に配置します。これによって、アセンブリ後のPCボード・フラックス残留物に対する耐性が大きく損なわれ、リークが増加する可能性があります。リークを低減し、高周波CMRRを高めるために、AD8229は、アナログ・デバイセズの高精度計装アンプと同じように、高性能ピン配置を採用しています(図13)。デバイス・ピン配置を変更して寄生リークを最小化するダイオード、過渡電圧抑制器(TVS)、その他の半導体デバイスのリークは温度とともに指数的に増大し、多くの場合、アンプの入力バイアス電流よりも桁違いに大きくなることがあります。このような場合、極端な温度でのリークが必要とされる限界を越えて回路の仕様に悪影響を与えないように設計する必要があります。最近は、高温動作用に使用できる受動部品も販売されています。抵抗とコンデンサはどんな回路設計にも使われています。表1は、市販されている製品の一部です。炭素化合物に代わる高温用の抵抗なお、表面実装部品がPCボードに接触している場合、アセンブリ後にフラックス残留物が下に入り込んだままになっていると、表面実装部品の端子間にリークが生じやすくなります。このような残留物は湿気を吸収し、高温になると伝導率が上昇します。この状況では、表面実装部品の全体に寄生抵抗(および予測しにくい動作)が発生するため、回路の誤差が増える可能性があります。この問題を解決するには、回路の特に影響を受けやすい領域には、サイズが大きいチップ、ガルウイング型のリード形成、またはスルーホール部品を使用することを検討してください。最終的には、アセンブリの最後に効果的なボード洗浄ステップを追加(一般には超音波または鹸化剤を使用)することによって、厄介な残留物をほとんど取り除くことができます。苛酷な環境で動作するシステムを設計する場合は、温度管理に十分注意を払う必要があります。高い周囲温度用に設計された部品であっても、電力消費に伴って自己発熱が生じるという点を考慮してください。AD8229の場合、最大210°Cまでの保証動作の範囲では出力電流負荷は小さいままと考えられています。重い負荷の駆動や恒久的な障害状態(出力短絡など)によって消費電力が増大すると、ジャンクション温度がデバイスの最大定格を上回り、アンプの動作寿命を大幅に低減します。熱放散についての推奨ガイドラインに従うこと、そしてパワー・レギュレータなどの隣接する熱源に注意することが大切です。高温用抵抗でさえ、70°Cを超えると電力定格値が下がります。抵抗が大きい電力を消費する場合は、意図する動作温度での抵抗の温度定格値に十分に注意してください。200°Cの定格の抵抗が190°Cの周囲温度で動作していても、電力消費による自己発熱が20°Cである場合、その定格値を上回ることになります。多くの受動部品は高温に対する耐性がありますが、部品の構造は、高温に加え、衝撃や振動が存在する環境下に長期間置かれることには適していないかもしれません。高温用抵抗とコンデンサのメーカーは、所定の温度での動作寿命を規定しています。信頼性の高いシステムを実現するには、すべての部品の動作寿命の仕様を一致させることが重要です。最後に、高温用の定格部品の多くは、長期の動作の場合には定格を差し引いて考える必要があることも忘れないでください。事例研究:オーブンでの温度勾配のマッピング高温アプリケーションに最適な2つのデバイスとしてAD8229とADXL206(2軸加速度センサー)を使用し、携帯できるとともに安全に使用できる高温環境で動作させる実験を行いました。小さな電気オーブンを使用し、その回転アセンブリの上に高温用PCボードを取り付け、連続的に動作させました。オーブン内の発熱体は天井のほうにあり、オーブン内部に大きな温度勾配が生じるように配置されています。回転メカニズムは、温度と位置を同時に測定する実験のために使用するものです。AD8229は、オーブン内部で絶えず回転するKタイプの熱電対からの信号を調整します。熱電対プローブはPCボードから約6インチ突き出ているため、オーブンの温度の変動を測定するのに便利です。同時に、ADXL206は回転の角度を測定します。高温動作用に定格されたスリップ・リング(回転コネクタ)から3つの信号(温度勾配、x軸加速度、y軸加速度)を送信します。スリップ・リングは回転しないハーネスに接続しており、このハーネスはオーブンの外のデータ・アクイジション・ボードに接続しています。「冷接点」はオーブン内部にあるため、もう1つの熱電対が内部温度に対するスタティック・リファレンスになります。AD8495熱電対アンプ(これもオーブンの外側)は、内蔵の冷接点補償機能を使用して、もう1つの熱電対の信号を調整します。オーブン内部のボードは回転アセンブリの中央付近にありますが、そこの温度は約175°Cです。このボード構造はポリイミド材料です。プリプレグ材料への銅の接着力を強化するため、銅層では0.020インチの最小幅のパターンを使用します(図14)。標準のHMPハンダ(Sn/Pb/Agが5/93.5/1.5)を使用して部品を接続し、テフロン加工のワイヤによってボードとスリップ・リングを接続しました。部品を取り付けた高温用PCボードすべての高精度部品は、スルーホールによって取り付けます。25ppm/°Cの金属被膜抵抗によって、計装アンプのゲインが設定されます。TC)を最小限に抑えます。回転時に一定の温度を維持するように、熱電対とアンプの接続部はボードの中央に来るように配置します。接合部が熱EMF効果の影響を受けないように、熱電対端子はできるだけ接近させておきます。高温タンタル・コンデンサとC0G/NP0コンデンサによって電源をデカップリングして、加速度センサーの出力用のフィルタとします。コンピュータは、回転角度(長方形のx成分とy成分)、内部温度勾配、リファレンス温度という、4つの異なるソースからのデータを処理します。これらすべての測定値を組み合わせて、温度勾配をマッピングします(図15)。解析結果によれば、温度変動は25°Cにもなります。想定どおり、最高温度の場所はオーブン後壁の天井近くに置かれた発熱体です。自然対流により、オーブンの天井部分はオーブン内で2番目の高温領域です。最低の温度が計測されるのは、熱電対が発熱体の反対側にあるときです。この実験は簡単ながら、どのようにすればロギング・システムに組み込まれた高温用部品が、苛酷な環境で動作しながら有効な情報を収集することができるかを示しています。新旧を問わず多くのアプリケーションにおいて、きわめて高温の環境で機能する部品が求められています。これまでは、この種の苛酷な環境向けに定格されたデバイスがなかったため、このようなシステムの信頼できる設計はむずかしいものでした。今では、このような環境で動作するように設計され、認定されたICや補助部品が販売されているため、設計時間が短縮し、故障のリスクも抑えることができます。この新技術を活用し、高温設計の手法に従うことで、これまで以上に極限的な環境でも信頼できる動作を実現する高性能システムが可能になります。125度を超えた中で操作が必要な石油やガスの探査、地熱モニタリング、工業用エンジン・コントロール、またその他のアプリケーションのための信号処理製品の最新情報は、こちらの高温環境用デバイスページをご覧ください。electronics”のブログ記事(英語)へのコメントもお待ちしております。Watsonは、計測機器グループのストラテジック・マーケティング・マネージャで、主に高精度機器テスト/計測/高温アプリケーションを専門としています。アナログ・デバイセズに入社する前は、ダウンホール石油ガス計測業界とオフ・ハイウェイ自動車計測/制御業界で設計技術者として活躍していました。ペン州立大学で電気工学の学士号と修士号を取得しました。アナログ・デバイセズの計測事業部門(マサチューセッツ州ウィルミントン)に所属するシステム・アプリケーション・エンジニアです。2011年に入社しました。Instrumentsで10年間にわたり自動試験装置(ATE)で使用される高性能のデジタル・マルチメータや高精度のソース・メジャー・ユニットの設計に従事。高精度計測や電子計測を対象としたアナログ/ミックスド・シグナル/アルゴリズム設計の分野で、複数の特許を取得することに貢献しました。モンテレイ工科大学で電子システムに関する理学士号、ノースイースタン大学でマイクロシステムと材料に関する理学修士号を取得しています。「すべてのCookieを受け入れる」をクリックすると、サイトナビゲーションを強化し、サイトの利用を分析し、マーケティングとパフォーマンスの取り組みを支援するために、お客様のデバイスにクッキーを保存することに同意したことになります。訪問者はこの同意を取り消す権利を有します。クッキーの詳細をご覧ください。プライバシーポリシーの詳細はこちらをご覧ください。すべてのクッキーを受け入れるすべてのクッキーを受け入れる現在ウェブサイトの更新を行っています。更新が終了した後、お客様はCookieの設定をできるようになります。必須Cookie(常に有効)このCookieはウェブサイトが正常に機能するために必要なもので、当社のシステム内でスイッチをオフすることはできません。このCookieは通常、プライバシー優先設定、ログイン、フォームへの入力など、サービスのリクエストに相当するアクションに応じてのみ設定されます。このCookieをブロックまたは警告するようにブラウザを設定することは可能ですが、サイトの一部が機能しなくなります。このCookieが個人を特定できる情報を保存することはありません。機能性CookieこのCookieによりウェブサイトの機能を強化しパーソナライズが可能になります。このCookieは当社が設定する場合と、当社サイトに追加したサービスを提供するサードパーティにより設定される場合があります。このCookieを受け入れなければ、サービスの一部または全部が正常に機能しない可能性があります。パフォーマンスCookieこのCookieにより訪問者数と通信トラフィックソースがカウントできるようになり、当社サイトのパフォーマンスを判断し改善する際に役立ちます。人気のあるページ、人気の低いページを確認し、訪問者がサイト内をどのように移動するかを把握するのに役立ちます。このCookieが収集するすべての情報は集約されているため、匿名性が保たれています。このCookieを受け入れなければ、お客様が当社サイトを訪問しても、当社には分からず、また、パフォーマンスをモニタリングすることもできません。ターゲット型CookieこのCookieは、アナログ・デバイセズおよび当社のサービスプロバイダーにより当社サイト経由で設定される場合があります。アナログ・デバイセズは、お客様の関心事のプロファイルを作成し、当社サイトで関連するコンテンツを表示するためにこのCookieを使用します。このCookieが個人情報を直接保存することはなく、お客様のブラウザとインターネットデバイスを一意的に識別します。このCookieを受け入れなければ、ターゲットを絞らない、より一般的なコンテンツが表示されるようになります。日本語ニュースレターアナログ・デバイセズより、ニュース、製品、新しいデザイン・ツール、セミナー、イベント情報などをはじめとする様々な情報をお届けします。