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审查设计策略和福利电子组件的操作

*通信:

何塞·a·卡拉斯科嵌入式仪器和系统,EMXYS Avda。de la大学sn 03202埃尔切、西班牙、电话:966442304;传真:96665882,电子邮件: (电子邮件保护)

文摘

电子产品的工作原理低温度以来许多潜在的优势,一定程度的整合,减少损失,提高电子线路的速度。除了低温应用程序用于科学和医学目的,电路的操作低过去增加温度提出了一般电子系统性能废弃后的快速技术提高现代电子设备的性能。本文的目的是审查的建议或修改电子设计成为可能,包括实现方面工作低温度和严重的热环境,符合当前制造业空间应用标准。这些建议可能涉及材料选择、操作多氯联苯(焊接),存储和电子产品的操作低宽温度和热循环。

关键字

低温电子;可焊性;印刷电路板;低温学

介绍

传统上,低温度电子空间应用为主要目标的实现传感器和测量设备,及其相关的前端,减少电子噪声或感应物体辐射非常的需要低温度(1]。然而,通常的航天器系统的操作低温度可能会有额外的优势等我们减少热控制系统,增加电子性能和减少体积和最终成本(2)的航天器和深空探测器发射操作提供更多的灵活性。

作为控制系统的一个例子可以轻松实现的我们可以引用“新视野”号探测器,已经访问了冥王星,利用钚和一块热的热控制系统,包括热毛毯的盾牌内部温度保持在20°C左右从外部温度-200°C (3]。其他探测器,如xmm -牛顿,依靠一个智能热设计服务模块内保持平均温度高于0°C (4]。

图1显示环境温度的函数到太阳的距离的深空探测,参照其表面绘画。

方法

低温工作的电子电路

电子系统的操作低温度和承受能力高振幅热循环涉及三个不同的动作场景:

1。了解电子元器件的工作低温度和进步的实现电路和评估其行为低温度或温度循环。

2。组件安装到电路板通过考虑机械压力作用于它们的结果所涉及的不同的膨胀系数不同的材料在焊点,粘合或包装固定PCB死去。

3所示。考虑保形涂层的力学性能和CTE适合基于[严重的热循环5),考虑到目前的研究(6]。

4所示。考虑保形涂层的力学性能和CTE适合基于[严重的热循环7),考虑到目前的研究(8]。

下面的三种情况,分别进行了分析。我们地址的每个主要的电气特性电气、电子和机电组件与影响其在相关电路参数变化可能产生的应用程序。

电阻和电容变化后其工作温度降低时其温度系数虽然其名义价值或内在(寄生)特征可能实验不同的变体,如名义价值,识别和录像机电阻(9]或名义价值,ESR,泄漏电流和击穿电压对电容器(10]。表1显示电路电阻的应用程序中,应用和部分变异的影响电路的工作。表2列表相同的电容器。

表1:电路的一些示例使用电阻和电阻变化的影响在子系统功能。

表2:一些例子电路,电容器是使用和子系统功能参数变化的影响。

二极管在低温度的变化其操作通过提供更高的正向电压(11),因此增加向前传导损失(12]。开关二极管,比如那些用在开关电源、反向电流和换向时间显著降低(13]因此补偿某种程度上的增加下降。稳压二极管,用作分流监管机构,现在完全不同的行为取决于所选择的模型,从几十毫伏的电压变化到几百毫伏[14]。

双极晶体管电路中列出的一部分表3作为一个例子。他们的行为当降低其标称温度使他们几乎不能使用,尽管它的减少集电极-基极击穿电压补偿通过增加其collector-emitter击穿电压(15),电流增益下降非常显著(16]。然而,双极技术变化锗硅HBT等我们提供了几个优势低温度(1),可能与CMOS组合(ICs)制造技术(Bi-MOS)低操作温度。

表3:主电路使用双极晶体管和子系统功能参数变化的影响。

MOSFET晶体管特性中受益低温度操作点低温度操作多次表示,在过去,为提高性能模拟和数字电路基础。降低漏电流,提高导电性(RDSON降低和减少传导损失)和热导率(更好的排热)和戏剧性的减少切换时间(降低切换损失)的增强功能(17只要通道长度不是减少到一定程度(小于0.1毫米)的寄生效应,相应的载流子迁移率和饱和速度,不规模大小为准(1]。表4总结了典型应用MOSFET晶体管在空间环境和改变MOSFET的电路参数的影响。

表4:使用例子MOSFET晶体管电路和参数变化的影响子系统功能。

复杂的特点ICs基于MOSFET和Bi-MOS晶体管推断从单个元素的特点,因为它是不可行的模型的低温度操作的完整的集成电路用于空间应用程序通过考虑单个组件,是缺乏模型技术的主要原因。高规模的集成电路,小个体设备尺寸,增加了雪崩击穿,减少门闩和扭结的影响,以及热载流子退化,导致设备的可靠性降低,看到第三章的1]。这些影响的量化模拟和数字集成电路因此单独建模和量化实验控制实验室设置。

可以找到文献引用许多模拟和数字集成电路工作低温度和我们可以找到任何我们可能认为家庭的例子。此外,这些集成电路实现完整的电路是发现的例子。作为示例的完整电路,空间应用的代表,我们可以引用:

1。研究PWM控制器的行为,基于双极和CMOS技术,低温度,验证减少泄漏电流和封闭的敏感性,增加速度,这增加了MOSFET功率晶体管载流子迁移率的增加略有增加功率转换器的效率。也可能需要同步整流二极管的避免负面影响低温度,已经描述的,有一个效率提高(16]。

2。由于组件的重要性,许多例子存在于运算放大器描述,我们引用(18)为例。

3所示。显示了SAR ADC的能力正常运转和以合理的速度5议员当冷却到-230°C。(18]

4所示。外部电压引用时可能需要集成电路的行为取决于很井然有序的电压等我们ADC或脉宽调制(错误!引用源没有找到。]。

在这种情况下,参考电压集成电路特征可能在操作温度或温度保证最低的变化(14]。

5。射线等。12实现直流/直流转换器,在77 k的研究工作Molypermalloy粉芯(MPC)的工作低温度和(19)扩展了研究高通量核心(HFC)和库尔μ核心(KMC)。结果发现损失磁芯温度保持不变相比平时操作从预期的绕组损耗降低补偿是提高涡流核心损失由于岩心电阻率增加。

6。记忆(20.),基于CMOS逻辑电路(21)和Bi-MOS技术和微处理器也被研究过。事实上,电脑工作在低温下了早在80年代(1]。

这些研究不仅存在电路的行为特征,但目前设计指令为未来设计专门为低温度(低温温度)一些超越我们的简短研究。fpga的空间也被测试到低温度(22]。

7所示。甚至利用光耦合器的可能性(23,在宽的温度范围内,文献所示。

8。但是我们还没有找到继电器的使用,一个清晰的球员机电组件,低温度。甚至在这个主题,如[参考24)不给引用该组件的应用程序。

进一步融合,由于其特殊的材料特点和关键保护应用程序需要特别适合生产低温度的需要。

表显示电路参数漂移的影响,实现磁核和放大器所示表5和6。

表5:电感/变压器参数漂移的影响电路功能。

表6:运算放大器参数漂移电路功能的影响。

其他作品研究完成电路的功能,甚至商用现货(COTS)组件的行为封装在未来太空任务的评价的标准包。(25)实现几个电路测试COTS振荡器,和其他元素,如被动组件和场效应管,在标准测试PCB和礼物低在火星表面温度为应用程序的任务。射线等。13]礼物低温度测量(spacializable)直流/直流变换器样机,26]使得商业化研究DC / DC转换器。

最后,完成文献[1)提供了更多的例子。

电路功能的预测低气温并不是简单因为缺乏模型的不同部分商用,其数据是由制造商提供最少-55°C,如果组件还没有专门为怀孕低操作温度。模拟不减少降低工作温度在标准(例如基于香料)模拟器(27)描述,但一个新的重新定义的模型方程占新效应引入的模拟器。

甚至有一个基于BSIM香料电路模拟器软件执行模拟低考虑温度的新部件的行为(28]。图2提出了一个模拟的降压直流/直流转换器运行在CoolSpice -100°C,模拟器为专门定制低温度模拟;中使用的场效应晶体管和二极管模型模拟了在考虑设备的物理特性(扩散长度),不存在为商用组件。

很明显,操作组件的操作不是最初设想名义上在温度低于-55°C,甚至更糟糕的是承受热循环温度下降到-100°C会改变其可靠性特征。组件的可靠性必须在个案进行评价,虽然努力设置一个参考框架的地方插入可靠性预测一直是由几个作者。陈等人。29日)论文参考了周期的影响低温度,在炎热的载体老化退化,火星表面的使命。其他作品解决这个退化认为有更多的有限温度远足(30.]。

实现电子电路工作低温度。

但真正的处理非常担心时出现低温度和超温周期比达到非常低价值观,是不同元素的机械附件形式PCB,即机械出现的问题,在微观水平。

详尽的研究已经由欧洲航天局(31日- - - - - -32]在过去获得相关数据PCB材料采购和制造,焊接的组件和修复,看到欧洲合作空间标准化的ECCS网站文件ecs - q -圣- 70 - 71 - c, ecs - q -圣- 70 - 08 - c, ecs - q -圣- 70 - 38 - c。

作为一般规则,对峙和组件压力救援领导的组件(钎焊接头和身体之间的)应该足以有效处理不同的热膨胀系数(CTE)出现在PCB水平。

在处理小尺寸的主要组件是相对容易遵守压力救援的技术。然而,问题出现在处理现代SMT包,尤其是当他们又大又与无铅芯片运营商。更多的问题可能出现在包的内部由于内部安装包内的死亡本身以及它们之间不同的ct。

第一期的时候记住焊接贴片元件焊接是唯一承载成员:它必须吸收压力以及提供电气连接。也记住,机械冲击和振动(研究在模拟发射环境)对焊点质量的影响甚微,它是一些研究的结果[-32],焊料连接失败的主要原因是热疲劳,出现在大热循环和强调低温度达到。

此外,反复研究表明,焊点不太可能失败,因为它的抗拉强度是略超过一个热循环,但它更可能造成的积累相对大的循环压力,由于材料的不同ct联合形式。多努力也取得了确定最好的焊料合金的最高可靠性之间的冶金结合创建电路板和电子组件(与焊锡之间)33]。

许多经验确定为高可靠的焊点,从金属间的关节,那些使用Pb63Sn37(即使有少量其他金属如银)和镀金的移除导致纯锡焊接之前加上pre-tin浴。此外,使用其他合金,如Sn62银合金减少清除加载的组件与银表面(见ecs - q -圣- 70 - 08 - c)广为人知

所有这些技术工作在温度,在空间环境中,远超过-100°C。为了提高焊接的可靠性其他焊料合金可以调查,例如Pb97.5Ag1.5Sn1合金是使用的建议低气温一般操作和基于铟的允许,这种形式非常韧性金属间化合物化合物,作为焊接一个很好的候选人,镀金,射频组件[-32]。

SMT组件的第一次经验法则会选择尽可能小的实验规模的变化越少当自行车(因此0603贴片组件是首选的超过2010的)。

如果这是不可能替代安装组件可以实现的技术,知道了图3为含铅组件的一个例子,34为无铅的组件的一个例子。如果技术中描述的ecs - q -圣- 70 - 38 - c已经表明,使用高可靠性得到如果焊料鱼片同等大小的组件的关节(关节,尤其是如果它是一个组件有两个电阻或电容),如果一个合适的对峙实现;特别是最高对峙的数量更大的生命周期下严重的热循环(350.4毫米)和对峙,甚至更大的(冲突与ecs - q -圣- 70 - 38 - c)可能是可取的。

电线造成问题在操作的另一个领域低温度自一个适当的线需要有良好的可焊性和适当的绝缘。发现废料和镀银导线焊接时表现良好低在空间环境中温度。在另一边聚酰亚胺薄膜和戈尔特斯绝缘体已经证明是灵活的,在热循环和表现良好低操作温度(36]。

最后,适当的胶水需要确定:粘贴大组件到PCB封装组件死在一个适当的包装承受热循环。在这一点上,与空间遗产,很好的候选人,我们可能会发现商用(37]。

如果COTS组件选择是很重要的,终止或与纯锡铅材料还没有完成。无铅(Pb-free)终端受COTS商业电子设备,但在非常低温度(如那些被认为在这项研究中)纯锡可以改变从一个明亮的金属灰色粉:被称为锡病。此外,纯锡可以形成小胡须,导致短路。

出于这个原因,我们建议分析所有COTS设备的表面,当检测到纯锡终端将浸入锡铅共晶焊料锅在200°C规定ecs - q -圣- 70 - 08年。当使用leadfree焊料进一步分析需要研究范德维德的研究等。38]。

印刷电路板材料形式,一般来说,空间多氯联苯从polyimide-glass捏造(CTE 12 - 16 ppm)或环氧玻璃如FR4 CTE的14 - 18 ppm。这些CTE的远比陶瓷的一些组件包(6 - 8 ppm)。

一些低扩张PCB基板材料确实存在,比如Stablecore(由Elmatica),但这已经没有空间限制。Thermount基质空间限制(CTE的5 - 8 ppm和由芳纶纤维在聚酰亚胺基体),但不幸的是这个产品不再生产了。多氯联苯的高可靠性测试是最大限定空间的重要性等级材料(39]。

结论

电子电路的工作低温度可能导致改进的功能,比如更好的速度和带宽,降低损失,甚至在工作时质量和体积减少的低温度环境。远不是一种不便,非常低温度可以结合增强工作的电子,同时避免质量和体积的增加参与将系统温度控制的环境中。

不仅深太空任务可能受益于这也是通信卫星绕地球的储蓄在任何子系统的成本有很大的影响。

然而,电子产品的工作低温度需要仔细的许多方面的考虑在目前的电子设计。本文指出这些考虑。

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