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、測試和測量以及電能計量應(yīng)用中的精密測量系統(tǒng)中設(shè)置模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）內(nèi)的噪聲/分辨率底限。對于設(shè)計工程師來說，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。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（密封陶瓷、塑料、芯片封裝）中，值得評估最終電子產(chǎn)品是否真正發(fā)揮了預(yù)期的最佳性能。有許多設(shè)計陷阱很容易破壞您希望實現(xiàn)的μV或nV精度噪聲目標(biāo)。通過對PCB制造過程的整體了解，本文探討了設(shè)計工程師或PCB組裝工程師在保持模擬性能的同時防止破壞性環(huán)境影響的方法。

背景

雖然每種電子設(shè)計在性能方面都有不同的權(quán)衡，但一般模擬信號鏈將具有某種形式的模擬輸入信號調(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，如圖1所示。有關(guān)該信號鏈中的一些權(quán)衡和設(shè)計選擇的更多信息，請參見CN-0255電路筆記。

圖1.16位信號鏈框圖

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鏈選擇了組件，PCB組裝團(tuán)隊就可以使用印刷電路板作為電子設(shè)計的基板來制造可重復(fù)的系統(tǒng)。任何從事精密電子工作的人都知道，電路板級的機(jī)械應(yīng)力可以在精密電路設(shè)計中表現(xiàn)為直流偏移，或者在基于MEMS的傳感器設(shè)計中表現(xiàn)為類似。這通?？梢酝ㄟ^簡單地按下基準(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)，溫度會在封裝和電路板中產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力。濕氣會在封裝和電路板中引起機(jī)械應(yīng)力，因為塑料和電路板都會吸收水分，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/時間漂移增加，或塑料封裝MEMS加速度計失調(diào)增加。對于塑料封裝，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)，但該解決方案帶來了高級封裝的額外成本，并且通常需要更大尺寸的組件。

敷形涂層選項

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制造過程中使用保形涂層，以便電路板級的任何機(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施加到PCB上的水分或溫度引起的任何應(yīng)力不會轉(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)生的濕度對進(jìn)入封裝的濕氣的影響較小。

HumiSeal 是一家專業(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)之一稱為水分蒸氣滲透性（MVP），它是水蒸氣通過涂層的速率。這與我們的應(yīng)用有關(guān)，因為我們試圖使PCB不受濕度影響.?

MVP的測試方法是取一個涂有相應(yīng)涂層的干杯，將其放入各種濕度的溫度室中，然后定期稱量杯子以評估有多少水分通過材料并進(jìn)入干杯。經(jīng)過一周的此類測試，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。

檢查該表會產(chǎn)生一個重要的見解 - 在所有情況下（除了稱為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間的推移通過涂層。這是以在給定時間段內(nèi)通過給定表面積滲透涂層的水的重量來衡量的;在這些測量中，時間段為七天。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，如果它們在高濕度下放置足夠長的時間，這些涂層都不會完全阻擋濕度。

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)備只會經(jīng)歷短時間的高水蒸氣嗎？電子產(chǎn)品的包裝/容器是否會阻擋水蒸氣，這意味著保形涂層與同時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？所有這些問題對于產(chǎn)品所有者在開始敷形涂覆路徑之前都要考慮。

在繼續(xù)查看實際數(shù)據(jù)之前，需要考慮的一個想法是，在某些情況下使用保形涂層會增加機(jī)械應(yīng)力問題。這是因為涂層如果應(yīng)用不當(dāng)，可能會給包裝增加應(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遷移到親水性塑料封裝中。來自 1A33 產(chǎn)品的數(shù)據(jù)表：“基材的清潔度對于保形涂層的成功應(yīng)用至關(guān)重要。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。涂層下的污染可能會導(dǎo)致可能導(dǎo)致裝配故障的問題。這對任何考慮敷形涂層的人來說都是很好的指導(dǎo)。

數(shù)據(jù)和討論：它站得住腳嗎？

為了評估敷形涂層的效果，ADI公司生產(chǎn)了一套測試板。每塊電路板都有 27 個相同的高性能基準(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)字萬用表（002 型號）進(jìn)行測量，使用 LTZ1000 可實現(xiàn) 4 ppm/年的漂移。腔室保持在恒定的溫度和濕度，同時允許板沉降。在施加濕度步驟之前，電路板在腔室中放置長達(dá)一周，同時保持溫度恒定。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評估存在涂層時濕度的影響。

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)境和測試條件下，相同的電壓基準(zhǔn)芯片放置在塑料封裝中時，電壓輸出變化為~150 ppm，如圖3所示。使用60%相對濕度偏移對圖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/%相對濕度，未應(yīng)用保形涂層。看起來很明顯，在高濕度環(huán)境中浸泡電路板 168 小時后，漂移還沒有完全解決。

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

接下來對HumiSeal 1B73丙烯酸涂料進(jìn)行測試，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），然后將 1B73 涂層噴涂到指定厚度。除邊緣連接器外，整個電路板都進(jìn)行了涂層，邊緣連接器必須清潔才能測量輸出電壓。

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像 ~100 ppm/40% RH 或 2.5 ppm/% RH，這與沒有涂覆的漂移沒有太大區(qū)別。在與HumiSeal協(xié)商后，涂層可能沒有完全粘附在基準(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小時的測試可能仍然不夠長，因為基準(zhǔn)電壓看起來還沒有完全穩(wěn)定下來，類似于未涂層的部件。然而，值得注意的是，至少在最初的時間步長上，濕度效應(yīng)的變化速度似乎確實變慢了，這為水分蒸氣滲透率的概念提供了可信度，其中涂層不會阻止水分，而是減慢了它的速度。

接下來的測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。

烤箱的問題阻止了超過96小時的測試。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)用過程所希望的巨大改進(jìn)，而是對噴涂涂層的輕微改進(jìn)——盡管公平地說，如果等待更長時間的測試，這種輕微的改進(jìn)可能會消失。表2總結(jié)了這三個測試。

未來的測試可能包括其他類型的保形涂層（硅膠、橡膠等）以及應(yīng)用過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。簡而言之，這些實驗的數(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)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)計工程師將他們的設(shè)計轉(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。“這個論點站得住腳”這句話通常意味著你的論點有價值并且是正確的。在這種情況下，遵循最佳實踐將確保您的基準(zhǔn)電壓源本身不會保持水，而是將水拒之門外，并保持您在精密設(shè)計中所需的性能。這種設(shè)計方法可以保持水分，而您的基準(zhǔn)電壓源則不然！

審核編輯：郭婷