【導(dǎo)讀】電壓參考在精密模擬系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用,通常用于設(shè)定模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中噪聲/分辨率的下限值,適用于儀器儀表、測試和測量以及能量計量等應(yīng)用中的精密測量系統(tǒng)。本文從整個PCB制造過程的角度出發(fā),探討設(shè)計工程師或PCB組裝工程師如何在保證系統(tǒng)模擬性能的同時,使系統(tǒng)不受外界環(huán)境影響。
電壓參考在精密模擬系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用,通常用于設(shè)定模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)中噪聲/分辨率的下限值,適用于儀器儀表、測試和測量以及能量計量等應(yīng)用中的精密測量系統(tǒng)。對于設(shè)計工程師來說,供應(yīng)商提供的產(chǎn)品組合可能包含眾多芯片可供選擇,令人眼花繚亂。但是,使用各種電壓參考規(guī)格(電壓噪聲、精度、漂移、靜態(tài)電流、串聯(lián)和分流等)及其封裝選項(密封陶瓷、塑料、裸片封裝),可以評估最終的電子產(chǎn)品能否達(dá)到預(yù)期的出色性能,這一點非常值得。設(shè)計中存在很多誤區(qū),它們可能悄無聲息地讓您無法達(dá)成想要達(dá)到的μV或nV噪聲精度目標(biāo)。本文從整個PCB制造過程的角度出發(fā),探討設(shè)計工程師或PCB組裝工程師如何在保證系統(tǒng)模擬性能的同時,使系統(tǒng)不受外界環(huán)境影響。
背景知識
雖然每個電子設(shè)計在性能方面都會做出不同程度的妥協(xié),但一般的模擬信號鏈都會以某種形式進(jìn)行模擬輸入信號調(diào)理,比如ADC和電壓參考。為了輔助闡述本文的主旨,我們將以一個中速100 kSPS、16位的模擬傳感器信號輸入設(shè)計為例,具體如圖1所示。如需了解有關(guān)該信號鏈的一些設(shè)計權(quán)衡和設(shè)計選擇的更多信息,請參閱CN-0255電路筆記。
圖1. 16位信號鏈功能框圖。
本應(yīng)用中使用的2.5 V電壓參考是ADR45xx 塑料封裝電壓參考系列中的 ADR4525,可以提供高精度、低功耗、低噪聲,且具有±0.01%(±100ppm)初始精度、出色的溫度穩(wěn)定性和低輸出噪聲。ADR4525的低熱致輸出電壓遲滯和低長期輸出電壓漂移提高了系統(tǒng)性能。950 μA的最大工作電流和500 mV的低壓差(最大值)使該器件非常適合便攜式設(shè)備。
在您選定了精密模擬信號鏈要使用的元件之后,就該由PCB組裝團(tuán)隊來生產(chǎn)可重復(fù)生產(chǎn)的系統(tǒng),他們使用印刷電路板作為電子設(shè)計的基板。任何從事過精密電子工作的人都知道,板級機(jī)械應(yīng)力在精密電路設(shè)計或基于MEMS的傳感器設(shè)計中會以直流偏置的形式表現(xiàn)出來。驗證方法很簡單,您只需要按壓電壓參考的塑料封裝,就可以看到輸出電壓或傳感器輸出的變化。由于水分/濕度/溫度會造成差異應(yīng)力,所以水分和溫度等環(huán)境因素會影響電子器件性能。由于制作封裝和電路板的材料的熱膨脹系數(shù)不同,溫度會使封裝和電路板產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。由于塑料和電路板都會吸收水分并膨脹,水分會使封裝和電路板產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。在塑料封裝電壓參考中,因為環(huán)境原因產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力往往表現(xiàn)為隨溫度/時間變化產(chǎn)生漂移,在塑料封裝MEMS加速度計中,則表現(xiàn)為增加偏移量。對于塑料封裝,濕度導(dǎo)致的機(jī)械應(yīng)力相當(dāng)顯著,要控制這種濕度效應(yīng),方法之一就是將集成電路封裝到陶瓷或密封封裝中。雖然此方法能解決大量與濕度有關(guān)的挑戰(zhàn),但這種解決方案會額外增加封裝成本,且通常會導(dǎo)致元件尺寸更大。
保形涂層選項
另一種將這些應(yīng)力從參考電壓中分離出來的方法是在PCB制造過程中使用保形涂層,這樣電路板上的任何機(jī)械應(yīng)力都會對參考電壓造成更小的影響。在這種情況下,在電壓參考和相應(yīng)的PCB上涂上一層薄薄的復(fù)合涂層,可以確保PCB上因為水分或溫度導(dǎo)致的應(yīng)力不會完全轉(zhuǎn)化為參考電壓芯片封裝上的差異應(yīng)力,并 且產(chǎn)生漂移。這也可以確保減小低溫凝結(jié)濕氣對封裝的影響。
HumiSeal®是一家專業(yè)涂料制造商,提供多種保形涂層,包括丙烯酸樹脂、聚氨酯、硅樹脂、環(huán)氧樹脂,以及用于保護(hù)PCB生產(chǎn)中的敏感器件的水性涂料。水蒸汽滲透性(MVP)參數(shù)可以確定選擇的涂層是否合適,這個參數(shù)是水蒸汽通過涂層的速率。因為我們正在努力使PCB不受濕度的影響,所以這一點相當(dāng)重要。
測試MVP的方法:取干杯子涂上相應(yīng)的涂層,將它們置于不同濕度的恒溫室中,然后定期稱量杯子的重量,以評估有多少水分通過涂層進(jìn)入干杯子。為期一周的測試表明,這些涂層能夠有效減緩水分通過的速度。
表1所示為選擇各種保形涂層時,它們各自的MVP標(biāo)稱值和材料厚度。
查看表中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn),在所有情況下(除了UV40這種非常厚的紫外線固化涂層材料以外),隨著時間流逝,這些涂層都會出現(xiàn)一定程度的水分滲透。這是根據(jù)給定時間段內(nèi)給定表面區(qū)域的涂層的滲水重量測量得出的數(shù)據(jù);在這些測量中,時間周期為七天。選擇常用的1A33涂層(一種使用方便、經(jīng)濟(jì)高 效的聚氨酯涂層)結(jié)果顯示,與相同厚度的橡膠基1B51涂層相比,該涂層減緩水蒸汽吸收速度的效果高出10倍以上。但是,從這個表中得出的重要結(jié)論是,在高濕度環(huán)境下放置足夠長的時間后,這些涂層無法完全隔離水分滲透。
這并不是否定了保形涂層的使用。相反,這可以幫助了解電子設(shè)備所處的環(huán)境。裸露在外的電子設(shè)備只會經(jīng)歷短時間高水蒸汽滲透嗎?電子設(shè)備的包裝/容器是否會阻擋水蒸汽滲透?采用保形涂層和即系腰帶又穿背帶一樣有用?電子器件所處的環(huán)境變化如此頻繁,采用保形涂層是否只是為了讓電子器件再過快的環(huán)境變化性能更優(yōu)?對于產(chǎn)品所有者而言,在開始采用保形涂層之前,了解所有這些問題非常重要。
在討論實際數(shù)據(jù)之前,需要考慮的一個問題是,在某些情況下使用保形涂層會增加機(jī)械應(yīng)力。這是因為如果應(yīng)用不當(dāng),涂層會增大封裝應(yīng)力。例如,在PCB制造階段,如果電壓參考封裝的表面在涂層之前就含有水分,那么幾乎可以肯定,這些水分會滲透到親水性塑料封裝中。從1A33產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊可以看出:“基材本身的清潔度對于能否成功應(yīng)用保形涂層至關(guān)重要。基材表面必須沒有水分、污垢、蠟、油脂、助焊劑殘留物和所有其他污染物。涂層下的污染物會導(dǎo)致問題,可能導(dǎo)致組裝失敗。”對于任何想要采用保形涂層的人來說,這點必須注意。
數(shù)據(jù)與討論:它是否對濕度敏感?
為了評估保形涂層的效果,ADI公司制作了一套測試板。每個測試板都具備27個相同的高性能電壓參考,采用推薦的J-STD-020回流方式焊接到PCB上。將這些電路板放置到濕度箱中,然后使用Keysight 3458A 8.5位數(shù)字萬用表(002型號)進(jìn)行測量,使用 LTZ1000驗證其達(dá)到4 ppm/年漂移量。濕度箱保持恒定溫度和濕度,以便電路板保持穩(wěn)定。電路板會在濕度箱中放置一周,之后,保持溫度不變,增加濕度。我們在塑料封裝電壓參考上采用兩種不同的保形涂層工藝,以評估濕度對涂層的影響。
圖2. ADR4525陶瓷封裝中的電壓參考。
以采用陶瓷封裝的ADR4525為參考基準(zhǔn)(圖2),在70%濕度環(huán)境下放置100小時,結(jié)果顯示,輸出電壓的變化約為3 ppm,或0.075 ppm/%RH,這表示陶瓷封裝具有出色的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)首次達(dá)到峰值,是因為濕度突然變化導(dǎo)致溫度躍升。從數(shù)據(jù)中可以看出,濕度室的溫度緩慢回升至25°C。相反,將采用塑料封裝的電壓參考芯片放置到相同的環(huán)境和測試條件下時,其電壓輸出變化為約150 ppm,具體如圖3所示。將圖3中的數(shù)據(jù)按60%RH漂移進(jìn)行規(guī)格化處理,結(jié)果顯示,在未采用保形涂層的情況下,輸出漂移約2.5 ppm/% RH。此外,很明顯可以看出,將電路板放置在高濕度環(huán)境中168小時之后,漂移并未完全停止。
圖3. 塑料封裝中的ADR4525參考電壓受20%到80%的濕度影響。
接下來測試了HumiSeal 1B73丙烯酸涂層,數(shù)據(jù)如圖4所示。應(yīng)用步驟如下:先洗凈和烘干電路板(將電路板快速浸入75%異丙醇和25%去離子水中幾次,用手輕刷,然后150°F烘烤2小時),然后噴涂指定厚度的1B73涂層。除邊緣連接器外,整個電路板都被涂層覆蓋,且電路板必須干凈,才能測量輸出電壓。
圖4.采用噴涂方式,在ADR45xx參考電壓表面涂覆HumiSeal 1B73丙烯酸涂層。
本實驗中使用的烘烤箱的濕度應(yīng)力被限定在70% RH,規(guī)格化漂移大約為100 ppm/40% RH左右或2.5 ppm/% RH,與沒有使用涂層時并無太大差別。咨詢HumiSeal之后得知,可能涂層未能與電壓參考封裝底面以及器件邊緣完全融合。這里還需要注意的是,在高濕度環(huán)境下168小時的測試時間可能還不夠長,因為電壓參考看起來還沒有完全穩(wěn)定下來,與未涂層器件類似。但是,值得注意的是,濕度影響的變化速度似乎已經(jīng)減緩,至少在起始時是這樣,這為水分滲透率概念提供了依據(jù),即涂層并沒有阻止水分,而是減慢了水分滲透的速度。
下一個測試嘗試采用相同的保形涂層(HumiSeal 1B73),但采用深浸式三步涂覆工藝,以確保涂層完全覆蓋整個電路板。數(shù)據(jù)如圖5所示。
圖5.采用深浸式三步涂覆工藝,在ADR45xx參考電壓表面涂覆HumiSeal 1B73丙烯酸涂層。
因為烘烤箱問題,本次測試無法超過96個小時。對30% RH到70% RH范圍的數(shù)據(jù)實施規(guī)格化的步驟顯示為90 ppm左右或2.3 ppm/% RH 的漂移,這沒有達(dá)到本應(yīng)用過程想要達(dá)到的大幅改善效果,但噴涂涂層出現(xiàn)些微改善,當(dāng)然也可以說,如果測試時間再長一些,這些微改善也會消失。表2對3次測試進(jìn)行總結(jié)。
未來的測試可能采用其他類型的保形涂層(硅膠、橡膠等),應(yīng)用過程也會做出許多變化。此外,在涂層之后進(jìn)行截面分析也可以確認(rèn)應(yīng)用的涂層厚度是否達(dá)到了制造商要求的標(biāo)準(zhǔn),以及某些邊緣位置的涂層是否足夠??傊?,這些實驗數(shù)據(jù)表明,陶瓷密封封裝是防止?jié)駳饨氲奈ㄒ焕硐敕烙椒ā?/div>
結(jié)論
在采用僅僅10位目標(biāo)精度的設(shè)計中(1/1000類型精度,或者5 V參考中的±5 mV),各種誤差源可能會悄無聲息地影響到精度。但是,如果您的精密儀器儀表系統(tǒng)的目標(biāo)精度是16位甚至24位,那么您必須考慮整個系統(tǒng)設(shè)計,包括PCB制造,以確保在設(shè)計的整個生命周期內(nèi)保證達(dá)到該精度。本文顯示,確保濕度性能的理想方法就是采用密封封裝,例如陶瓷,此外,保形涂層可以幫助減緩精密模擬電子器件受濕度影響的速度。當(dāng)設(shè)計工程師的設(shè)計進(jìn)入生產(chǎn)階段時,會需要用到電子領(lǐng)域以外的技能,需要咨詢涂層公司,以確保產(chǎn)品能在富有挑戰(zhàn)性的環(huán)境下實現(xiàn)出色性能。“This argument holds water”這句話通常意味著您的論點有價值而且是正確的。在這種情況下,遵循最佳實踐可以 確保您的電壓參考本身不會被水汽浸蝕,而是將水擋在外面,確保您的精密設(shè)計能夠保持您所需的性能。這種設(shè)計方法可能存在缺陷,但是您的電壓參考不會!
參考電路
ASTM E398-03,用動態(tài)相對濕度測量法測定薄板材料水蒸汽滲透率的標(biāo)準(zhǔn)測試方法。美國材料和試驗協(xié)會,2003年。
Bryant, James。 “應(yīng)用工程師問答—11:電壓參考必須達(dá)到什 么樣的精度?” 《模擬對話》, 1992年1月。
HumiSeal 1A33聚氨酯保形涂層技術(shù)數(shù)據(jù)手冊。HumiSeal, 2019年。
“IPC-HDBK-830:保形涂層設(shè)計、選擇和應(yīng)用指南”。 IPC, 2002年10月。
“MT-087演示教程:電壓參考。” ADI公司,2009年。
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