井下鑽探是環境嚴苛，且極具挑戰性的應用領域之一，因此油田服務公司正將可以適應極端壓力、衝擊及振動，同時又能夠具備長效電池使用時間，與非常小占位面積等精密設備的設計技術推向極限。
對使用於這種環境下的電子設備而言，最大挑戰就是極端的溫度。這些高溫是與深度相關聯的函數；地熱梯度平均大約是25℃/km，在某些地區可能會更高。
由於全球能源需求日益增加，因而衍生出以往無法施行的熱井鑽探與開發動機。但在這種環境中，電子設備的降溫並非可行的辦法，因此，業界需要的是必須要能夠在200℃以上可靠運作的精密儀器。
確實，因為失敗所導致的高成本使得可靠度的重要性受到重視。在地下數英哩深運作的鑽具上組裝電子設備，一旦須要取回或是更換時可能會耗費超過一天的時間，而且複雜的深水海上鑽井平台的操作費用可以達到每天50萬美元以上。
除了石油以及天然氣的探索之外，也有其他需要高溫電子設備的新興應用領域。舉例來說，航太工業正逐漸的朝向「更為電子化的飛行器」邁進，這種首創行動有一部分是為了要找出可以藉由離散式控制系統取代傳統中央引擎控制器的方法，使引擎控制部分更加的靠近引擎，進而大幅的降低互連的複雜度與減少數百磅的飛行器重量。
這種首創行動的另一項要素就是以強大的電子設備與電子控制來取代液壓系統，藉此改善可靠度並降低維護成本。理想狀態下，控制用的電子設備必須要非常的靠近會導致高周遭溫度之環境的致動器。與航空電子噴射引擎相類似，做為發電之用的重型工業燃氣渦輪機也必須仰賴控制系統與儀器。
高溫額定IC問世
在過去，高溫電子設備的設計者因為無法取得高溫積體電路(IC)，所以被迫得使用超出其額定規格的元件，雖然有一些標準溫度IC可能具備有限規格以上的功能，但是致力於此是一項既艱鉅又充滿風險的投入，而且沒有可靠度或是性能方面的保證。
舉例來說，工程師必須要分辨潛在的候補元件，針對其對於溫度的性能進行完整的測試以及特性描繪，並且對於該元件歷經一段較長週期時間後的可靠度加以驗證，因此元件的性能及壽命往往會被大幅的降額，而且可能會在每個生產批量之間出現大幅的變化，總而言之，這是一項具有挑戰性、昂貴而且耗時的過程，所有的設計者都寧可盡量避免。
此外，目標設計溫度正在過渡到175℃，因此為了要實現可靠性(即便是短期間內)需要有更加先進的封裝技術。幸好，近年來的技術進步已使得可供使用的高溫額定IC問世。
目前IC廠商高溫產品線中的產品使用特殊製程技術、電路設計、封裝方式，以及完善的特性化、驗證和產品測試程式，藉此在高溫之下以受到保證的資料手冊規格實現可靠的性能。
新款ADC主打低功率/高取樣速率 解決電子設備溫度受限問題
高溫電子設備的終端應用相當多元，從石油鑽探到航空電子到重工業領域，在它們的訊號鏈當中有幾項常見的需求。首先，這些系統大多須要進行針對來自多重感測器精密資料的蒐集，或是需要很高的傳輸能力。此外，這些應用裝置大多具有嚴格的功率限制，因為它們是以電池運作，或是無法容許電子設備自體發熱所導致的額外溫度上升。因此，由感測器、精密類比元件，以及高處理能力的類比數位轉換器(ADC)所組成的低功率資料蒐集鏈是有其必要性的。
即使目前已經有商業用高溫額定IC，但其仍然存在著有限的電路建構方塊選擇。尤其是，目前仍然無法取得具備速率超過100kSPS，而且額定操作溫度為200℃以上的商業用精密ADC。對於須要蒐集與處理更大頻寬的訊號，或是想要多路傳輸通道的電路設計者來說，這是他們的最大困擾。
為了要滿足訊號對於大頻寬的需求，目前市面上新款ADC能夠以16位元解析度，執行高達600kSPS的取樣速率，同時仍然維持低功率以及非常小的占位面積。該元件目前有額定為175℃的10支接腳MSOP封裝，以及額定為210℃的陶瓷扁平封裝，而其他已知的優良晶片版本也將會陸續推出。
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| 圖1 新款ADC應用訊號鏈 |
據了解，新型高溫ADC主打低功率、單供電，藉由連續漸進架構(SAR)，達到600kSPS的取樣速率，並以獲得認證的SAR核心(已經被設計在大量的工業與儀器系統當中)為基礎。該架構是以專利電荷再分配電容DAC技術為基礎。互補式金屬氧化物半導體(CMOS)生產製程實現了在升高溫度中的卓越性能，部分原因乃是這些電容相對於溫度的匹配與追蹤，且針對蒐集電路所做的最佳化，改善了在高溫下的精密度。
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| 圖2 新款ADC非線性誤差與編碼關係圖 |
圖1為一款新型高溫ADC的典型應用訊號鏈，其中使用了經過高溫驗證的軌對軌輸出、精密、低功率、雙重放大器，藉以驅動ADC的輸入，並且和通過高溫驗證、低溫度漂移ADR225 2.5伏特(V)參考器搭配做為參考緩衝器。該款元件需要兩組供電，一組類比與數位核心供電(VDD)與一組做為與任何介於1.8?5伏特間邏輯直接連結的數位輸入/輸出介面供電(VIO)。VIO與VDD接腳可以綁在一起，藉此降低所需要的供電數量。
圖2所示為該元件的典型積分非線性誤差(INL)與編碼的關係圖；圖3則是該元件針對廣大輸入頻率相對於不同溫度的訊號雜訊失真比(SINAD)性能。
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| 圖3 SINAD與頻率相對於溫度關係圖 |
新款的ADC透過總處理速率以線性方式調整功率，將處於嚴苛環境中的電池使用時間最大化，一般情況下在使用600kSPS的全速傳輸能力時大約消耗4毫瓦(mW)，在10kSPS下消耗70mW，如圖4所示。
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| 圖4 新款高溫ADC的功率耗損與傳輸速率關係圖 |
金質銲墊表面可解決銲接故障
除了具備能夠在高溫下運作的高性能，強固的封裝對於必須在嚴苛的高溫環境下運作的積體電路而言亦極為重要。這些封裝必須要提供IC免於環境傷害的適當保護，以及與印刷電路板(PCB)的可靠內部鏈結，同時又具備適合系統任務需求的基底尺寸。
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| 圖5 Al墊上的Au球焊，在195°C下經過500小時後的情形。 |
雖然對於可靠的封裝有著許多的考量，但是在高溫下的主要故障問題之一就是銲線。在金質銲線與鋁質銲盤為業界中常見的塑料封裝裡面，這種故障特別的具有其問題性。因為升高的溫度會加速AuAl金屬間化合物的出現。這些金屬間化合物與銲接故障(像是脆弱銲接與空隙等)相關聯，可能在數百個小時中迅速的發生，如圖5所示。
為了要避免這些故障，目前業界使用墊上金屬層(OPM)製程建立一個金質銲墊表面，藉以讓金質銲線能夠附著，這種單金屬系統不會形成金屬間化合物，並且已在驗證測試中，以超過6,000小時的195℃浸泡而證實其可靠性，如圖6所示。雖然該測試已展示在195℃之下的可靠銲接，但是因為塑封材料的玻璃化轉變溫度而導致塑料封裝被額定為只能夠達到175℃的運作。
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| 圖6 OPM上的Au球焊，在195°C下經過6,000小時後的情形。 |
上述的ADC關鍵性特點，像是高性能、強固、低功率和彈性化的組態設定等的結合，可以因應在嚴苛、高溫環境中的精密量測應用裝置像是鑽井石油與瓦斯鑽探，以及工業、儀器和航空電子應用等的最重要性能要求。
在井下鑽探儀器這個應用裝置中，井下感測器會進行訊號取樣，以便蒐集有關於周遭地質構造的資訊，這些感測器可以採用電極、線圈、壓電或是其他轉換器的形式。
加速度計、磁力計及陀螺儀提供有關鑽具的傾斜、方位角、旋轉速度、衝擊與振動等的資訊，這些感測器有些具有非常低的頻寬，而其他的則提供音訊頻率範圍與更高頻率的資訊。
新款ADC能夠因應以不同頻寬需求，對來自於感測器的資料進行取樣，同時維持功率效能。
此外，小巧的占位面積使該元件即使是在空間有限的布局(像是在井下工具中常見的非常窄的電路板寬度)當中都能夠輕易的包含多重通道。
除此之外，彈性化的數位介面使該款高溫額定ADC能夠在更多的嚴苛應用裝置中進行同步取樣，同時還可以實現適用於低接腳數量系統的簡單菊鏈環讀出。
總體而言，極端高溫是嚴苛環境系統中的最大挑戰之一。然而，新的高溫額定IC以現成、高精密度、低功率和可靠性協助設計人員在面臨艱困的應用環境時，輕易地克服挑戰。
(本文作者皆任職於亞德諾半導體)