菲尔诺德克
菲尔诺德克

美国航空航天局格伦研究中心的航空研究任务理事会开发了一种新型碳化硅差分放大器集成电路芯片,该芯片可以为任何需要在高温环境下使用长时间电子电路的产品提供好处。该芯片在500ºC的连续工作时间超过1700个小时,这是一个突破,比以前的成就增加了100倍。Phil Neudeck是这项工作的团队领导。

美国宇航局技术简报:您能否告诉我们项目和导致的技术?

菲尔。Neudeck:从历史上看,多年来人们已经认识到,在涡轮发动机和航空航天应用以及汽车应用中都需要高温电子产品。所以这是一个高温电子领域经过多年的发展。定期举行专业的高温电子会议,以及类似的会议。

电子设备已经在汽车发动机和喷气发动机中纳入了这一点,但它们并不像我们在此开发的那样高温。因此,如果您愿意,这是一种进化过程,具有高温电子。电子产品的能力越多,它们就会被插入新的地方,为这些系统带来利益。这只是没有人能够在这些温度下工作[500°C]的半导体电子产品长度超过一小时或两个小时,因此我们已经扩展了这里有可能的信封。零件必须持续很长时间才能对大多数应用有用。这就是我们在500℃的成就下所做的。

我们的小组一直在使用高温电子产品。我们的方法是使用碳化硅作为半导体而不是硅。传统上,硅是所有计算机,手机和每个其他电子设备的半导体材料。但硅的温度限制;有涉及为什么硅不能在极高的温度下运行的物理学。

碳化硅电子产品在室温下运行的高功率器件面积以及RF功率器件的高功率器件领域以及除了高温电子产品之外的碳化硅外,还有其他应用。我们的研究小组也在这些领域工作。

NTB:热量如何通常导致IC恶化并失败?

Neudeck:有两个主要的失败机制。首先是我将呼叫半导体物理学。在硅的情况下,热量实际将半导体变成导体。这只是物理学。发生这种情况的温度取决于称为“半导体”的“带隙”的基本材料特性。硅具有约1伏的带隙,碳化硅具有约3伏的带隙。该带隙的差异实际上转化为半导体变成导体的温度的大区别。一旦半导体成为导体,就在制造晶体管和电子电路方面,您真的无法使用它。所以这是一个物理机制。

还有一个关于化学降级的第二种机制。实际上,我们一直与碳化硅战斗的机制是碳化硅一直是一个非常好的半导体,甚至高达600°C发光的红热。我们始终知道,您可以在碳化硅中构建晶体管,它将正常工作,但问题是接口的化学退化和您需要实际制造晶体管的连接。在硅的情况下,你真的没有那么多机会,因为硅比碳化硅更具反应。进行化学反应和扩散,并且硅装置会非常迅速降低。

因此,有两种东西可以防止硅在高温下操作,而在碳化硅仍然是高温下的半导体,我们已经讨论了如何控制在高温下它们可以持续很长时间的接口。这是一种基本发现,如果你碳化碳化硅 - 如何控制这些化学反应。

NTB:那真的是关键吗?在传统的IC和这些高温碳化硅IC中的一个之间是否存在任何其他差异?

Neudeck:嗯,碳化硅往往更昂贵,所以你真的只会使用碳化硅,在那里你必须使用碳化硅,如在这样的环境中。硅的商品化很好;这些计算机中的芯片正变得越来越低,大量商品。碳化硅不是那个阶段,它是便宜的或大部分商品。与硅相比,工作肯定是更艰难的;这绝对是有区别的。

最后,我们在技术成熟的过程中没有硅走得那么远。例如,在这些集成电路中,我们正在讨论的500°C的演示中,只有几个晶体管和三个电阻相互连接在一起。我在实验室里还有一些电路运行时间没有我们在新闻发布会上说的那个那么长。它们大约是四五个晶体管级的。很明显,在你的电脑里,一个硅片里的晶体管的数量大约是一百万个晶体管。

硅的人已经有几十年来改进他们的技术,使各个晶体管更小,更快。这一过程已经在硅上了几十年。用碳化硅,当然,我们可以遵循硅的缩小物品和制造更复杂的电路的路径。我认为我们能够更快地制作更加复杂的碳化硅电路,因为我们已经从硅片做了什么。但我们仍然有那条路走下去。

NTB:这项技术可以将来应用于其他类型的电子元件吗?

Neudeck:这是一个非常好的问题。我们在新闻稿中提到了三种已经存在多年的明显应用(航空航天和汽车发动机传感器,石油和天然气勘探,金星的机器人勘探)。这些人需要的电路肯定会是第一个完成的电路。在短期内,对于我们在NASA,我们感兴趣的是信号处理和信号调理电子在传感器的高温环境。我们计划做的一件事是做一个运算放大器尝试把它和压力传感器集成在一起从引擎地面测试中得到一个好的,高分辨率的压力测量这是以前人们做不到的。这是我们的短期目标之一。

我们还在开发一些数字逻辑电路。我们希望尝试制作一些州机器,可以为某些苛刻的环境智能或恶劣的环境控制电子产品进行,以便在维纳斯探测团或类似的东西中使用的东西。这些都是任务驱动的。我的方法是半导体的方法,您可以购买手机的半导体芯片,您可以为您的计算机购买半导体芯片,但您可以购买的所有半导体芯片都是应用驱动的。这真的是我们领导的方向。既然我们所展示的我们可以制作一个集成电路,碳化碳化碳化碳化碳化合物在500°C下持续很长时间,对于需要特定功能的人,我们现在可以名义上地设计和构建这种电路。我说名义上,因为它不会是我们;我们会做技术转移,公司会建立它。

这项技术还可以应用于其他领域。我们首次证明,我们可以制造出一个500°C的集成电路芯片,并让它持续异常长的时间。现在人们会说,“嘿,我可以在500°C的应用中使用这个电路。”所以我们所做的是我们展示了如何去做的构建模块以及我们所知道的应用程序。我认为还有一些我们不知道的应用,在我看来,这就是它之后的发展方向。

NTB:在未来,当价格下降并进行技术成熟时,您可以看到这种技术可以用于消除个人电脑等日常内容中的散热器和冷却装置等散热器和冷却装置,或者这会过于异乎寻常,以适应这些类型设备?

Neudeck:嗯,这还有很长的路程!我的思想火车不一定在个人电脑上,但只是为了获得足够低的成本和大量制造足够高,以进入汽车市场。这是一个非常敏感的市场。在汽车上有一个地方,我认为这项技术将越早进入很多,而且我认为它会进入PC。同样,硅片非常便宜,似乎在碳化硅在室温环境应用中对其具有竞争力的竞争力,这似乎很长。

NTB:这种技术是否与辐射硬化兼容?

Neudeck:绝对是一种固有的辐射硬技术。这是另一个潜在的应用。要把它透视,我认为我们的进步并没有真正帮助辐射硬度,因为只要你没有在真正热的热环境中运作,人们可能会五年前制造碳化硅筹码'一直很辐射 - 硬。所以我们在我看来,我们已经推动了热情的东西。

NTB:只是为了让我们的读者一些观点,碳化硅组件和平均硅组件之间的预计成本差异是什么?

Neudeck:我想说的是,现在大概是100倍,仅仅对于半导体晶圆材料来说。对于成品部件,比如室温功率二极管,成本差异要小得多,但仍然很显著。

您必须需要这种特殊能力,以证明在硅的碳化硅的额外费用合理。我有一个关于我们网站的关于碳化硅在高温电子产品中的作用的审查文章,我本文中的一个陈述是一百美元的高温电子元件零件使系统能力能够价值数百万美元对一些人的美元。所以这是一个非常杠杆技术。换句话说,制造碳化硅部分的人可能只会在它上赚几百美元,而是对行业人士来说,它带来的新能力可以在产品的一生中值得一团糟。

因此,即使碳化硅可能更昂贵一百个,当您考虑芯片在大百万美元或更大的系统中做什么时,它是一个非常好的投资。

NTB:您的测试样品在500℃的温度下连续运行超过1700小时。你认为这是一个限制吗?或者你认为你可以在你所学到的基础上通过一些设计修改来改进它吗?

Neudeck:好吧,我肯定认为我们有一些改进,以便在电路的密度和何时进行。在热性能方面,这件事今天仍然起动。我们是1,800小时,它仍然会发生。这实际上是我们试图了解这一部分的限制的一部分。到目前为止,该设备已连续运行。它基本上在实验室中,在烤箱中,计算机一直在收集数据,一切都表现良好。我不知道它会走多久,我不知道这个设备上的限制在哪里。

我们急于尝试,并在包装​​和挂钩和测试的更多零件,以便我们找到这些限制。如果我们可以获得另一套零件包装,我们可能会在烤箱中扔一个,使它变得更高的温度,看看我们是否可以加速失败一点点。与此同时,在500°C处,我们只是为了让它运行,看看它持续了多长时间。

NTB:热循环的效果是否与碳化硅芯片不同的型碳化碳芯片是普通硅芯片的不同?

Neudeck:也许不是从纯电的角度来看。热循环倾向于攻击芯片的封装,所以你倾向于失去芯片连接,或你倾向于失去电线键。所以这不是芯片的电子部分;我认为热循环会攻击芯片的机械包装。但作为一名科学家,我保持开放的心态。我们要在这些东西上进行热循环看看它们能持续多久。

当然,我们正在谈论在航空航天环境中放置它,在那里还有振动。这些是我们的高温包装专家需要解决问题。它们不担心从500°C的总循环一直到室温,因为它们不能在宽的温度范围内操作。所以我们始终领先并试图预测一些事情。你可以模拟事情并学到很多东西,但我是一个坚定的信徒在实验室里运行它,看看它是否实际上是有效的。

NTB:有没有商业部门的人表示有兴趣授权这项技术?

Neudeck:我会说是和否。几年前,我实际上有几个与行业的提案,他们对这项技术前对该技术感兴趣。当然,看到谁在他们听到这一成就的信息时,它会很有趣。因此,存在一些普遍的兴趣,但没有人进入并拨出许可协议或任何事情。

NTB:关于商业部门潜在应用的任何想法?

Neudeck:嗯,我认为明显的人都提到了。新技术的一个有趣的事情之一就是在商业领域总是有人在那里看到新闻发布,他们想到使用它的新方法我从未想过。所以看看会出来的是真的很有趣。

我相信如果你推动信封并表现出一种新的能力,人们会发现新的使用方法来使用它。但我的感觉肯定是它首次使用的应用程序是一种较低的成本敏感,这将是航空航天。然后将其向更大而较大的用途下降到更大的用途,随着技术变得更加商业化,更加理解,更值得信赖。

商业应用程序的大问题是您必须表现出非常好的可靠性。当他们的手机停止工作时,没有人喜欢它。我们现在表明,我们可以在500°C下运行一个非常长的时间的电路,但我们只显示了少数人。我们和商业人士显然需要更多的工作,以便我们将这项技术转移到[为他们到]舒适地将他们的名字放在产品上。

有关更多信息,请联系Phil Neudeck此电子邮件地址正在受到垃圾邮件程序的保护。您需要启用JavaScript来查看它。


美国宇航局科技简报杂志

本文首次发表于2007年11月号美国宇航局技术简报杂志。

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