【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成想要達到的μV或nV噪聲精度目標。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）進行測量，使用 LTZ1000驗證其達到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（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，這沒有達到本應(yīng)用過程想要達到的大幅改善效果，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，在涂層之后進行截面分析也可以確認應(yīng)用的涂層厚度是否達到了制造商要求的標準，以及某些邊緣位置的涂層是否足夠。總之，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準測試方法。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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