菲尔Neudeck
菲尔Neudeck

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。

NASA技yabovip16.com术简介: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。

目前,电子器件已经被应用到汽车发动机和喷气发动机中,但它们还远没有我们在这里开发的那样高温。所以这是一种进化过程,如果你愿意的话,高温电子产品。电子设备的功能越强大,它们被插入到新地方的次数就越多,从而为这些系统带来好处。只是到目前为止,还没有人能够让半导体电子产品在这样的温度(500°C)下工作超过一两个小时,所以我们已经扩展了这里的可能性范围。零件必须使用很长时间才能在大多数应用中使用。这就是我们在500°C时所取得的成就。

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。

碳化硅电子在室温下工作的大功率器件、射频功率器件等领域也有其他应用——除了高温电子器件,碳化硅还有其他重要的应用。我们的研究小组也在这些领域开展工作。

NTB:高温通常是如何导致集成电路损坏和失效的?

Neudeck:有两种主要的失效机制。第一个是我所说的半导体物理学。以硅为例,热量实际上会把半导体变成导体。这就是物理。发生这种变化的温度取决于一种被称为半导体“带隙”的基本材料特性。硅的带隙约为1伏,而碳化硅的带隙约为3伏。带隙的差异实际上转化为一个很大的差异在温度方面,一个半导体变成一个导体。一旦半导体变成了导体,你就真的不能用它来做你需要做的事情,比如制造晶体管和电子电路。这就是物理机制。

关于化学降解还有第二种机制。实际上,我们一直在与碳化硅斗争的机制是,碳化硅一直是一种非常好的半导体,即使是在600°C的高温下发光。我们一直都知道,你可以用碳化硅制造一个晶体管,它会很好地工作,但问题是,你需要真正制造一个晶体管的界面和结的化学降解。在硅的情况下,你没有那么多的机会,因为硅比碳化硅更活泼。化学反应和扩散发生,硅器件将非常迅速地降解。

所以,有两件事阻止硅在高温下工作,而用碳化硅,它在高温下仍然是半导体我们已经找到了如何控制界面使它们在高温下可以维持很长时间。这是关于碳化硅的基本发现如何控制化学反应。

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,碳化硅往往更贵,所以你真的只会在必须使用碳化硅的地方使用碳化硅,比如在这样的环境中。硅非常商业化;这些计算机中的芯片正成为价格低廉、数量庞大的商品。碳化硅还没有到便宜或成为大宗商品的地步。它肯定比硅更难处理;这绝对是一个区别。

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:未来这项技术还能应用于哪些其他类型的电子元件?

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,技术成熟时,你会看到这种技术被用于消除像个人电脑这样的日常用品中的散热器和冷却设备吗?还是说这种技术对于那些类型的设备来说太陌生了?

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:这项技术与辐射硬化兼容吗?

Neudeck:这绝对是一项天生的抗辐射技术。这是另一个潜在的应用。换句话说,我的观点是我们的进步并没有真正帮助提高辐射硬度因为只要你不是在一个非常炎热的热环境中工作,人们可以在五年前制造出碳化硅芯片那将是非常高的辐射强度。所以在我看来,我们已经把温度推到了极限。

“挪威通讯社”星期六报导:为了给我们的读者一些观点,硅碳化硅组件和普通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。

所以即使碳化硅可能要贵一百倍,当你考虑到芯片在一个百万美元或更大的系统中所做的事情时,这是一个很好的投资。

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,我绝对认为我们在电路密度和诸如此类的方面有一些改进。就热性能而言,这个东西至今仍在运转。我们在1800小时,还在继续。这实际上是测试的一部分我们要学习这部分的极限是什么。到目前为止,该装置一直在连续工作。它基本上是在实验室里,在烤箱里,电脑一直在收集数据,一切都运行良好。我不知道它会运行多久,我不知道这个设备的极限在哪里。

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:热循环对碳化硅芯片的影响会与普通硅芯片不同吗?

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,我们讨论的是把它放在有振动的航天环境中。这些都是我们的高温包装专家需要解决的问题。他们不担心这种从500°C一直到室温的循环因为他们不能在这么大的温度范围内工作。所以我们向前看,试着预测一些事情。你可以模拟事物并学到很多东西,但我坚信在实验室里运行它,看看它是否真的有效。

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:你认为这在商业领域有什么潜在的应用吗?

Neudeck:好吧,我想显而易见的都已经提到了。关于新技术的一个有趣的事情是在商业领域总有人看到一份新闻稿就会想出一种我从未想过的新方法来使用它。所以这将是非常有趣的,看看会得到什么。

我相信,如果你突破极限,展现出一种新的能力,人们就会找到新的方法来使用它。但我的感觉是肯定的首先要使用它的应用是一个对成本不太敏感的应用,可能是航空航天。然后,随着技术的商业化、理解和信任程度的提高,它将沿着成本敏感链不断发展,应用范围越来越广。

商业应用的最大问题是你必须表现出非常好的可靠性。没人喜欢自己的手机坏了。我们已经展示了我们可以在500°C下运行很长时间的电路,但我们只展示了其中的一小部分。显然,我们和商业人士需要付出更多努力,我们要把这项技术转给他们,让他们放心地把自己的名字印在产品上。

欲了解更多信息,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。


NASA技yabovip16.com术简报杂志

本文首次发表于2007年11月号NASA技yabovip16.com术简介杂志。

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