我的電壓參考源設計是否對濕度敏感?控制精密模擬系統濕度和性能的方法

winniewei 提交于 周三, 10/23/2019
我的電壓參考源設計是否對濕度敏感?控制精密模擬系統濕度和性能的方法

作者:Paul Perrault 和 Robert Kiely

簡介

電壓參考在精密模擬系統中起著至關重要的作用,通常用于設定模數轉換器(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用中的精密測量系統。對于設計工程師來說,供應商提供的產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格(電壓噪聲、精度、漂移、靜態電流、串聯和分流等)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品能否達到預期的出色性能,這一點非常值得。設計中存在很多誤區,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,探討設計工程師或PCB組裝工程師如何在保證系統模擬性能的同時,使系統不受外界環境影響。

背景知識

雖然每個電子設計在性能方面都會做出不同程度的妥協,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計為例,具體如圖1所示。如需了解有關該信號鏈的一些設計權衡和設計選擇的更多信息,請參閱CN-0255電路筆記。

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圖1. 16位信號鏈功能框圖。

本應用中使用的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組裝團隊來生產可重復生產的系統,他們使用印刷電路板作為電子設計的基板。任何從事過精密電子工作的人都知道,板級機械應力在精密電路設計或基于MEMS的傳感器設計中會以直流偏置的形式表現出來。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/溫度會造成差異應力,所以水分和溫度等環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不同,溫度會使封裝和電路板產生機械應力。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生機械應力。在塑料封裝電壓參考中,因為環境原因產生的機械應力往往表現為隨溫度/時間變化產生漂移,在塑料封裝MEMS加速度計中,則表現為增加偏移量。對于塑料封裝,濕度導致的機械應力相當顯著,要控制這種濕度效應,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的挑戰,但這種解決方案會額外增加封裝成本,且通常會導致元件尺寸更大。

保形涂層選項

另一種將這些應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,在電壓參考和相應的PCB上涂上一層薄薄的復合涂層,可以確保PCB上因為水分或溫度導致的應力不會完全轉化為參考電壓芯片封裝上的差異應力,并 且產生漂移。這也可以確保減小低溫凝結濕氣對封裝的影響。

HumiSeal?是一家專業涂料制造商,提供多種保形涂層,包括丙烯酸樹脂、聚氨酯、硅樹脂、環氧樹脂,以及用于保護PCB生產中的敏感器件的水性涂料。水蒸汽滲透性(MVP)參數可以確定選擇的涂層是否合適,這個參數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,所以這一點相當重要。

測試MVP的方法:取干杯子涂上相應的涂層,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。

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查看表中的數據可以發現,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,這些涂層都會出現一定程度的水分滲透。這是根據給定時間段內給定表面區域的涂層的滲水重量測量得出的數據;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、經濟高 效的聚氨酯涂層)結果顯示,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論是,在高濕度環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備所處的環境。裸露在外的電子設備只會經歷短時間高水蒸汽滲透嗎?電子設備的包裝/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境變化性能更優?對于產品所有者而言,在開始采用保形涂層之前,了解所有這些問題非常重要。

在討論實際數據之前,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力。這是因為如果應用不當,涂層會增大封裝應力。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產品的數據手冊可以看出:“基材本身的清潔度對于能否成功應用保形涂層至關重要。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致問題,可能導致組裝失敗。”對于任何想要采用保形涂層的人來說,這點必須注意。

數據與討論: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。

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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%濕度環境下放置100小時,結果顯示,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定性。數據首次達到峰值,是因為濕度突然變化導致溫度躍升。從數據中可以看出,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中的數據按60%RH漂移進行規格化處理,結果顯示,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境中168小時之后,漂移并未完全停止。

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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,數據如圖4所示。應用步驟如下: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。

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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力被限定在70% RH,規格化漂移大約為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,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。數據如圖5所示。

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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范圍的數據實施規格化的步驟顯示為90 ppm左右或2.3 ppm/% RH 的漂移,這沒有達到本應用過程想要達到的大幅改善效果,但噴涂涂層出現些微改善,當然也可以說,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。

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未來的測試可能采用其他類型的保形涂層(硅膠、橡膠等),應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,這些實驗數據表明,陶瓷密封封裝是防止濕氣浸入的唯一理想防御方法。

結論

在采用僅僅10位目標精度的設計中(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的目標精度是16位甚至24位,那么您必須考慮整個系統設計,包括PCB制造,以確保在設計的整個生命周期內保證達到該精度。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。當設計工程師的設計進入生產階段時,會需要用到電子領域以外的技能,需要咨詢涂層公司,以確保產品能在富有挑戰性的環境下實現出色性能。“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,確保您的精密設計能夠保持您所需的性能。這種設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。美國材料和試驗協會,2003年。

Bryant, James。 “應用工程師問答—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數據手冊。HumiSeal, 2019年。

IPC-HDBK-830:保形涂層設計、選擇和應用指南”。 IPC, 2002年10月。

MT-087演示教程:電壓參考。” ADI公司,2009年。

作者

Paul Perrault

Paul Perrault是一名高級現場應用工程師,工作地點在加拿大卡爾加里。 他在ADI公司工作了17年,負責過100多種CPU放大器電源設計以及nA級傳感器節點和節點間所有電流電平設計。 他擁有加拿大薩斯喀徹溫大學電氣工程理學學士學位以及波特蘭州立大學電氣工程碩士學位。業余時間,他喜歡在鄉間滑雪、在落基山石灰巖上攀巖、去當地的山丘爬山,并與年輕的家人一起在戶外度過美好時光。

Robert Kiely

Robert Kiely是線性與精密技術部的資深應用工程師,工作地點在美國加利福尼亞州圣何塞市。他于2010年加入ADI公司。工作重點是精密信號鏈及產品,包括Σ-Δ型ADC、精密放大器和基準電壓源。Rob擁有愛爾蘭利默里克大學的電氣工程學士學位和VLSI系統工程碩士學位。

來源:ADI 中文官網

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