菲尔诺德克
菲尔诺德克

NASA的Glenn Research Center领域的航空研究任务局开发了一种新的碳化硅差分放大器集成电路芯片,可以为在非常热的环境中需要长持久的电子电路的任何东西提供有益的效果。芯片在500ºC下超过1,700小时的连续操作 - 一个突破,表示先前已经实现的100倍。Phil Neudeck是团队领先这项工作。

美国宇航局技术简报:您能否告诉我们项目和导致的技术?

Phil Neudeck:从历史上看,它已被认可了很多年,即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,以及汽车应用。因此,实际上是多年来发展的高温电子领域。经常定期的专业高温电子会议以及那种自然的东西。

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:高温通常是如何导致集成电路损坏和失效的?

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。

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,我们不在技术成熟过程中作为硅。例如,在我们谈论我们的500°C演示的这些集成电路中,它只是几个晶体管和三个电阻互连在一起。我在实验室里有一些其他电路,只要我们在新闻稿中谈论的那个。它们是关于四个或五晶体管水平。显然,计算机中硅芯片中的晶体管的数量约为大约一百万个晶体管。

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一系列存在的三个明显的应用程序(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)。那些人需要的电路肯定会成为完成的第一个电路。在更接近的术语中,对于美国宇航局的美国,我们对热环境传感器中的信号处理和信号调节电子产品感兴趣。我们计划做的一件事是制作运算放大器,并尝试将其与压力传感器集成,以获得良好的高分辨率的压力测量,从以前无法做到的发动机地面测试。这是我们短期目标之一。

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。

该技术转化为许多其他应用程序。我们首次表明我们可以制作一个500°C集成电路芯片,并使其持续非常长的时间。现在人们会说,“嘿,我可以在我的500°C应用中使用这个电路。”所以我们所做的是,我们已经显示了如何做到的构建块,并且应用程序是我们所知道的。我认为有我们不知道的应用程序,这就是在我看来的追求的地方。

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。

“挪威通讯社”星期六报导: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:我现在可以说是大约一百个可能的因素,只适用于开始半导体晶片材料。对于成品零件,如室温功率二极管,成本差异较小,但仍然显着。

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:测试样品在500°C的温度下连续运行超过1,700小时。您认为这是限制,还是您认为您可以根据您的学到约会的内容来改进某些设计修改?

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:可能不是纯粹的电气观点。热循环往往会攻击芯片的包装,因此您倾向于失去模具附着,或者您倾向于失去电线键。所以它不是芯片的电子部分;它真的是我认为热循环将攻击的芯片的机械包装。但是作为一名科学家,我会保持开放的心态。我们将在这些事情上运行热循环,看看它们是如何持续的。

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:来自商业部门的任何人对许可这项技术表达了兴趣吗?

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: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

本文首先出现在2007年11月问题上美国宇航局技术简报杂志。

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