作者：Paul Perrault and Robert Kiely

基準(zhǔn)電壓源在精密模擬系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，通常在儀器儀表、測(cè)試和測(cè)量以及電能計(jì)量應(yīng)用中的精密測(cè)量系統(tǒng)中設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）內(nèi)的噪聲/分辨率底限。對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，供應(yīng)商的產(chǎn)品組合可能包括一系列令人眼花繚亂的硅選項(xiàng)。但是，在各種基準(zhǔn)電壓規(guī)格（電壓噪聲、精度、漂移、靜態(tài)電流、串聯(lián)與分流等）及其封裝選項(xiàng)（密封陶瓷、塑料、芯片封裝）中，值得評(píng)估最終電子產(chǎn)品是否真正發(fā)揮了預(yù)期的最佳性能。有許多設(shè)計(jì)陷阱很容易破壞您希望實(shí)現(xiàn)的μV或nV精度噪聲目標(biāo)。通過(guò)對(duì)PCB制造過(guò)程的整體了解，本文探討了設(shè)計(jì)工程師或PCB組裝工程師在保持模擬性能的同時(shí)防止破壞性環(huán)境影響的方法。

背景

雖然每種電子設(shè)計(jì)在性能方面都有不同的權(quán)衡，但一般模擬信號(hào)鏈將具有某種形式的模擬輸入信號(hào)調(diào)理、ADC和基準(zhǔn)電壓源。在本文中，我們將使用中速100 kSPS、16位模擬傳感器輸入設(shè)計(jì)，如圖1所示。有關(guān)該信號(hào)鏈中的一些權(quán)衡和設(shè)計(jì)選擇的更多信息，請(qǐng)參見(jiàn)CN-0255電路筆記。

圖1.16位信號(hào)鏈框圖

本應(yīng)用中使用的2.5 V基準(zhǔn)電壓源是塑料封裝基準(zhǔn)電壓源ADR45xx系列中的ADR4525，具有高精度、低功耗、低噪聲等特性，具有初始精度±0.01%（±100 ppm）、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(zhǎng)期輸出電壓漂移改善了系統(tǒng)性能。該器件的最大工作電流為 950 μA，低壓差電壓為 500 mV（最大值），非常適合便攜式設(shè)備。

一旦您為精密模擬信號(hào)鏈選擇了組件，PCB組裝團(tuán)隊(duì)就可以使用印刷電路板作為電子設(shè)計(jì)的基板來(lái)制造可重復(fù)的系統(tǒng)。任何從事精密電子工作的人都知道，電路板級(jí)的機(jī)械應(yīng)力可以在精密電路設(shè)計(jì)中表現(xiàn)為直流偏移，或者在基于MEMS的傳感器設(shè)計(jì)中表現(xiàn)為類(lèi)似。這通常可以通過(guò)簡(jiǎn)單地按下基準(zhǔn)電壓源的塑料封裝并觀察輸出電壓或傳感器輸出的變化來(lái)證明。因此，由于濕度/濕度/溫度引起的應(yīng)力差異，濕度和溫度等環(huán)境因素會(huì)影響電子性能。由于構(gòu)成封裝和電路板的材料的不同熱膨脹系數(shù)，溫度會(huì)在封裝和電路板中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。濕氣會(huì)在封裝和電路板中引起機(jī)械應(yīng)力，因?yàn)樗芰虾碗娐钒宥紩?huì)吸收水分，導(dǎo)致它們膨脹。環(huán)境引起的機(jī)械應(yīng)力的結(jié)果通常表現(xiàn)為塑料封裝基準(zhǔn)電壓源的溫度/時(shí)間漂移增加，或塑料封裝MEMS加速度計(jì)失調(diào)增加。對(duì)于塑料封裝，濕度產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力很大，管理這種濕度效應(yīng)的一種方法是將集成電路封裝在陶瓷或密封封裝中。雖然這解決了濕度方面的大量挑戰(zhàn)，但該解決方案帶來(lái)了高級(jí)封裝的額外成本，并且通常需要更大尺寸的組件。

敷形涂層選項(xiàng)

將這些應(yīng)力與基準(zhǔn)電壓源隔離的另一種建議方法是在PCB制造過(guò)程中使用保形涂層，以便電路板級(jí)的任何機(jī)械應(yīng)力都能轉(zhuǎn)化為基準(zhǔn)電壓源處的較小應(yīng)力。在這種情況下，在基準(zhǔn)電壓源和相應(yīng)的PCB上涂上一層薄薄的涂層化合物可確保通過(guò)施加到PCB上的水分或溫度引起的任何應(yīng)力不會(huì)轉(zhuǎn)化為基準(zhǔn)電壓源芯片封裝的差分應(yīng)力并引起偏移。這也確保了低溫引起的冷凝產(chǎn)生的濕度對(duì)進(jìn)入封裝的濕氣的影響較小。

HumiSeal 是一家專(zhuān)業(yè)的涂料制造商，提供許多保形涂料，包括丙烯酸、聚氨酯、有機(jī)硅、環(huán)氧樹(shù)脂和水性涂料，用于保護(hù) PCB 制造中的敏感設(shè)備。允許選擇適當(dāng)涂層的參數(shù)之一稱(chēng)為水分蒸氣滲透性（MVP），它是水蒸氣通過(guò)涂層的速率。這與我們的應(yīng)用有關(guān)，因?yàn)槲覀冊(cè)噲D使PCB不受濕度影響.?

MVP的測(cè)試方法是取一個(gè)涂有相應(yīng)涂層的干杯，將其放入各種濕度的溫度室中，然后定期稱(chēng)量杯子以評(píng)估有多少水分通過(guò)材料并進(jìn)入干杯。經(jīng)過(guò)一周的此類(lèi)測(cè)試，很明顯涂層如何有效地減緩水的進(jìn)展。

表 1 顯示了一系列保形涂層及其各自的 MVP 歸一化為每密耳厚度值。

檢查該表會(huì)產(chǎn)生一個(gè)重要的見(jiàn)解 - 在所有情況下（除了稱(chēng)為UV40的非常厚的紫外線固化涂層材料），所有這些涂層都允許一定量的蒸汽隨著時(shí)間的推移通過(guò)涂層。這是以在給定時(shí)間段內(nèi)通過(guò)給定表面積滲透涂層的水的重量來(lái)衡量的;在這些測(cè)量中，時(shí)間段為七天。選擇流行的 1A33 涂層（一種易于應(yīng)用的聚氨酯涂層，這也意味著它具有成本效益）表明，這種涂層在減緩水蒸氣吸收速率方面的效率比類(lèi)似厚度的橡膠基 1B51 涂層低 10 倍以上。然而，這里的關(guān)鍵信息是，如果它們?cè)诟邼穸认路胖米銐蜷L(zhǎng)的時(shí)間，這些涂層都不會(huì)完全阻擋濕度。

這并不是要貶低敷形涂層的使用。相反，了解電子設(shè)備將部署的環(huán)境很有用。暴露的電子設(shè)備只會(huì)經(jīng)歷短時(shí)間的高水蒸氣嗎？電子產(chǎn)品的包裝/容器是否會(huì)阻擋水蒸氣，這意味著保形涂層與同時(shí)佩戴皮帶和吊帶一樣有用？電子設(shè)備的環(huán)境變化是否如此頻繁，以至于保形涂層的目的僅僅是阻止電子設(shè)備的快速變化？所有這些問(wèn)題對(duì)于產(chǎn)品所有者在開(kāi)始敷形涂覆路徑之前都要考慮。

在繼續(xù)查看實(shí)際數(shù)據(jù)之前，需要考慮的一個(gè)想法是，在某些情況下使用保形涂層會(huì)增加機(jī)械應(yīng)力問(wèn)題。這是因?yàn)橥繉尤绻麘?yīng)用不當(dāng)，可能會(huì)給包裝增加應(yīng)力。例如，如果在PCB制造階段，基準(zhǔn)電壓源封裝的表面在涂層之前有水分，這幾乎可以肯定地確保這些水分會(huì)遷移到親水性塑料封裝中。來(lái)自 1A33 產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表：“基材的清潔度對(duì)于保形涂層的成功應(yīng)用至關(guān)重要。表面必須沒(méi)有水分、污垢、蠟、油脂、助焊劑殘留物和所有其他污染物。涂層下的污染可能會(huì)導(dǎo)致可能導(dǎo)致裝配故障的問(wèn)題。這對(duì)任何考慮敷形涂層的人來(lái)說(shuō)都是很好的指導(dǎo)。

數(shù)據(jù)和討論：它站得住腳嗎？

為了評(píng)估敷形涂層的效果，ADI公司生產(chǎn)了一套測(cè)試板。每塊電路板都有 27 個(gè)相同的高性能基準(zhǔn)電壓源，使用推薦的 J-STD-020 回流曲線焊接到 PCB 上。這些電路板放置在濕度室中，并使用 Keysight 3458A 8.5 位數(shù)字萬(wàn)用表（002 型號(hào)）進(jìn)行測(cè)量，使用 LTZ1000 可實(shí)現(xiàn) 4 ppm/年的漂移。腔室保持在恒定的溫度和濕度，同時(shí)允許板沉降。在施加濕度步驟之前，電路板在腔室中放置長(zhǎng)達(dá)一周，同時(shí)保持溫度恒定。在塑料封裝的基準(zhǔn)電壓源上使用兩種不同的保形涂層工藝來(lái)評(píng)估存在涂層時(shí)濕度的影響。

圖2.ADR4525基準(zhǔn)電壓源，采用陶瓷封裝。

使用陶瓷封裝的ADR4525作為基線（圖2），可以確定在70%濕度下工作100小時(shí)后，電壓輸出的變化為~3 ppm或0.075 ppm/%RH，具有出色的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)中的初始峰值是由于濕度的突然變化引起的溫度跳躍。濕度室將溫度緩慢恢復(fù)到25°C，從數(shù)據(jù)中可以看出。相比之下，在相同的環(huán)境和測(cè)試條件下，相同的電壓基準(zhǔn)芯片放置在塑料封裝中時(shí)，電壓輸出變化為~150 ppm，如圖3所示。使用60%相對(duì)濕度偏移對(duì)圖3中的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，發(fā)現(xiàn)輸出漂移為~2.5 ppm/%相對(duì)濕度，未應(yīng)用保形涂層?？雌饋?lái)很明顯，在高濕度環(huán)境中浸泡電路板 168 小時(shí)后，漂移還沒(méi)有完全解決。

圖3.采用塑料封裝的基準(zhǔn)電壓源ADR4525，濕度步長(zhǎng)為20%至80%。

接下來(lái)對(duì)HumiSeal 1B73丙烯酸涂料進(jìn)行測(cè)試，數(shù)據(jù)如圖4所示。應(yīng)用程序包括首先清洗和烘烤板（將板快速浸入 75% 異丙醇和 25% 去離子水中幾次，輕輕手刷，然后在 150°F 下烘烤 2 小時(shí)），然后將 1B73 涂層噴涂到指定厚度。除邊緣連接器外，整個(gè)電路板都進(jìn)行了涂層，邊緣連接器必須清潔才能測(cè)量輸出電壓。

圖4.ADR45xx基準(zhǔn)電壓源涂覆HumiSeal 1B73丙烯酸涂層，采用噴涂應(yīng)用。

雖然本測(cè)試中使用的烘箱將濕度應(yīng)力限制在 70% RH，但歸一化漂移看起來(lái)像 ~100 ppm/40% RH 或 2.5 ppm/% RH，這與沒(méi)有涂覆的漂移沒(méi)有太大區(qū)別。在與HumiSeal協(xié)商后，涂層可能沒(méi)有完全粘附在基準(zhǔn)電壓源封裝的底部以及零件的邊緣。這里還需要注意的是，在高濕度下進(jìn)行~168小時(shí)的測(cè)試可能仍然不夠長(zhǎng)，因?yàn)榛鶞?zhǔn)電壓看起來(lái)還沒(méi)有完全穩(wěn)定下來(lái)，類(lèi)似于未涂層的部件。然而，值得注意的是，至少在最初的時(shí)間步長(zhǎng)上，濕度效應(yīng)的變化速度似乎確實(shí)變慢了，這為水分蒸氣滲透率的概念提供了可信度，其中涂層不會(huì)阻止水分，而是減慢了它的速度。

接下來(lái)的測(cè)試嘗試了相同的保形涂層（HumiSeal 1B73），但采用了三步應(yīng)用工藝，使用浸涂工藝來(lái)更好地確保電路板的完全覆蓋。此數(shù)據(jù)如圖 5 所示。

圖5.ADR45xx基準(zhǔn)電壓源采用HumiSeal 1B73丙烯酸涂層，采用3步浸涂應(yīng)用。

烤箱的問(wèn)題阻止了超過(guò)96小時(shí)的測(cè)試。將 30% RH 到 70% RH 步驟的數(shù)據(jù)集歸一化顯示 ~90 ppm 或 2.3 ppm/% RH，這不是此應(yīng)用過(guò)程所希望的巨大改進(jìn)，而是對(duì)噴涂涂層的輕微改進(jìn)——盡管公平地說(shuō)，如果等待更長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試，這種輕微的改進(jìn)可能會(huì)消失。表2總結(jié)了這三個(gè)測(cè)試。

未來(lái)的測(cè)試可能包括其他類(lèi)型的保形涂層（硅膠、橡膠等）以及應(yīng)用過(guò)程中的許多其他變化。此外，在涂層后進(jìn)行橫截面分析還可以確認(rèn)應(yīng)用厚度是否符合制造商的規(guī)格，以及某些邊緣是否充分涂層。簡(jiǎn)而言之，這些實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)表明，陶瓷密封封裝是防止?jié)駳膺M(jìn)入的最佳方法。

結(jié)論

在僅針對(duì)10位精度（1000種精度為1/1或5 V基準(zhǔn)電壓源為±5 mV）的設(shè)計(jì)中，隱藏各種誤差源的不準(zhǔn)確性的空間很大。但是，如果您的精密儀器系統(tǒng)的目標(biāo)是16位甚至24位的精度，則必須查看整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，包括PCB制造，以確保在設(shè)計(jì)的整個(gè)生命周期內(nèi)完全精度。本文表明，確保濕度性能的最佳方法是使用陶瓷等密封封裝，而保形涂層可以減緩精密模擬電子產(chǎn)品中的濕度效應(yīng)。隨著設(shè)計(jì)工程師將他們的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)移到制造階段，有必要利用電子以外的技能，與涂料公司協(xié)商，以便在具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中獲得最佳性能。“這個(gè)論點(diǎn)站得住腳”這句話(huà)通常意味著你的論點(diǎn)有價(jià)值并且是正確的。在這種情況下，遵循最佳實(shí)踐將確保您的基準(zhǔn)電壓源本身不會(huì)保持水，而是將水拒之門(mén)外，并保持您在精密設(shè)計(jì)中所需的性能。這種設(shè)計(jì)方法可以保持水分，而您的基準(zhǔn)電壓源則不然！

審核編輯：郭婷