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Does My Voltage Reference Design Hold Water? Methods of Managing Humidity and Performance in Precision Analog Systems 作者：Paul Perrault和Robert Kiely ADI公司 簡(jiǎn)介 電壓參考在精密模擬系統中起著(zhù)至關(guān)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(lái)說(shuō)，供應商提供的產(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)品能否達到預期的出色性能，這一點(diǎn)非常值得。設計中存在很多誤區，它們可能悄無(wú)聲息地讓您無(wú)法達成想要達到的μV或nV噪聲精度目標。本文從整個(gè)PCB制造過(guò)程的角度出發(fā)，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(shí)，使系統不受外界環(huán)境影響。 背景知識 雖然每個(gè)電子設計在性能方面都會(huì )做出不同程度的妥協(xié)，但一般的模擬信號鏈都會(huì )以某種形式進(jìn)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(gè)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(guān)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。 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(cháng)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。 
圖1.16位信號鏈功能框圖。 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(lái)生產(chǎn)可重復生產(chǎn)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(guò)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(huì )以直流偏置的形式表現出來(lái)。驗證方法很簡(jiǎn)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(huì )造成差異應力，所以水分和溫度等環(huán)境因素會(huì )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(huì )使封裝和電路板產(chǎn)生機械應力。由于塑料和電路板都會(huì )吸收水分并膨脹，水分會(huì )使封裝和電路板產(chǎn)生機械應力。在塑料封裝電壓參考中，因為環(huán)境原因產(chǎn)生的機械應力往往表現為隨溫度/時(shí)間變化產(chǎn)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(zhù)，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(guān)的挑戰，但這種解決方案會(huì )額外增加封裝成本，且通常會(huì )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(lái)的方法是在PCB制造過(guò)程中使用保形涂層，這樣電路板上的任何機械應力都會(huì )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(huì )完全轉化為參考電壓芯片封裝上的差異應力，并且產(chǎn)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(zhuān)業(yè)涂料制造商，提供多種保形涂層，包括丙烯酸樹(shù)脂、聚氨酯、硅樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)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)參數可以確定選擇的涂層是否合適，這個(gè)參數是水蒸汽通過(guò)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(diǎn)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(chēng)量杯子的重量，以評估有多少水分通過(guò)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(guò)的速度。 表1所示為選擇各種保形涂層時(shí)，它們各自的MVP標稱(chēng)值和材料厚度。 表1.各種HumiSeal涂層和它們的MVP
查看表中的數據可以發(fā)現，在所有情況下（除了UV40這種非常厚的紫外線(xiàn)固化涂層材料以外），隨著(zhù)時(shí)間流逝，這些涂層都會(huì )出現一定程度的水分滲透。這是根據給定時(shí)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(shí)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(gè)表中得出的重要結論是，在高濕度環(huán)境下放置足夠長(cháng)的時(shí)間后，這些涂層無(wú)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(huán)境。裸露在外的電子設備只會(huì )經(jīng)歷短時(shí)間高水蒸汽滲透嗎？電子設備的包裝/容器是否會(huì )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(guò)快的環(huán)境變化性能更優(yōu)？對于產(chǎn)品所有者而言，在開(kāi)始采用保形涂層之前，了解所有這些問(wèn)題非常重要。 在討論實(shí)際數據之前，需要考慮的一個(gè)問(wèn)題是，在某些情況下使用保形涂層會(huì )增加機械應力。這是因為如果應用不當，涂層會(huì )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(huì )滲透到親水性塑料封裝中。從1A33產(chǎn)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(guān)重要�；谋砻姹仨殯](méi)有水分、污垢、蠟、油脂、助焊劑殘留物和所有其他污染物。涂層下的污染物會(huì )導致問(wèn)題，可能導致組裝失敗�！睂τ谌魏蜗胍捎帽Ｐ瓮繉拥娜藖�(lái)說(shuō)，這點(diǎn)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(gè)測試板都具備27個(gè)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(wàn)用表（002型號）進(jìn)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(huì )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(shí)，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(huán)境和測試條件下時(shí)，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(jìn)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(huán)境中168小時(shí)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(lái)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(shí)），然后噴涂指定厚度的1B73涂層。除邊緣連接器外，整個(gè)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A(yíng)DR45xx參考電壓表面涂覆HumiSeal 1B73丙烯酸涂層。 本實(shí)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(méi)有使用涂層時(shí)并無(wú)太大差別。咨詢(xún)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(shí)的測試時(shí)間可能還不夠長(cháng)，因為電壓參考看起來(lái)還沒(méi)有完全穩定下來(lái)，與未涂層器件類(lèi)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(shí)是這樣，這為水分滲透率概念提供了依據，即涂層并沒(méi)有阻止水分，而是減慢了水分滲透的速度。 下一個(gè)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(gè)電路板。數據如圖5所示。
圖5.采用深浸式三步涂覆工藝，在A(yíng)DR45xx參考電壓表面涂覆HumiSeal 1B73丙烯酸涂層。 因為烘烤箱問(wèn)題，本次測試無(wú)法超過(guò)96個(gè)小時(shí)。對30% RH到70% RH范圍的數據實(shí)施規格化的步驟顯示為90 ppm左右或2.3 ppm/% RH的漂移，這沒(méi)有達到本應用過(guò)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(shuō)，如果測試時(shí)間再長(cháng)一些，這些微改善也會(huì )消失。表2對3次測試進(jìn)行總結。 表2.采用保形涂層的濕度測試總結
未來(lái)的測試可能采用其他類(lèi)型的保形涂層（硅膠、橡膠等），應用過(guò)程也會(huì )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�？傊�，這些實(shí)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(lèi)型精度，或者5 V參考中的±5 mV），各種誤差源可能會(huì )悄無(wú)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(gè)系統設計，包括PCB制造，以確保在設計的整個(gè)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(jìn)入生產(chǎn)階段時(shí)，會(huì )需要用到電子領(lǐng)域以外的技能，需要咨詢(xún)涂層公司，以確保產(chǎn)品能在富有挑戰性的環(huán)境下實(shí)現出色性能�！癟his argument holds water”這句話(huà)通常意味著(zhù)您的論點(diǎn)有價(jià)值而且是正確的。在這種情況下，遵循最佳實(shí)踐可以確保您的電壓參考本身不會(huì )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(huì )！ 參考資料 ASTM E398-03，用動(dòng)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(huì )，2003年。 Bryant，James�！皯霉こ處焼�(wèn)答—11：電壓參考必須達到什么樣的精度？”《模擬對話(huà)》，1992年1月。 HumiSeal 1A33聚氨酯保形涂層技術(shù)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�！盇DI公司，2009年。 作者簡(jiǎn)介 Paul Perrault是一名高級現場(chǎng)應用工程師，工作地點(diǎn)在加拿大卡爾加里。他在A(yíng)DI公司工作了17年，負責過(guò)100多種CPU放大器電源設計以及nA級傳感器節點(diǎn)和節點(diǎn)間所有電流電平設計。他擁有加拿大薩斯喀徹溫大學(xué)電氣工程理學(xué)學(xué)士學(xué)位以及波特蘭州立大學(xué)電氣工程碩士學(xué)位。業(yè)余時(shí)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(hù)外度過(guò)美好時(shí)光。聯(lián)系方式：paul.perrault@analog.com。 Rob Kiely是加州圣克拉拉儀器儀表與精密技術(shù)部的應用和營(yíng)銷(xiāo)工程師。他于2010年加入ADI公司。工作重點(diǎn)是精密信號鏈及產(chǎn)品，包括Σ-Δ ADC、精密放大器和基準電壓源。Rob擁有愛(ài)爾蘭利默里克大學(xué)的電氣工程學(xué)士學(xué)位和VLSI系統工程碩士學(xué)位。聯(lián)系方式：rob.kiely@analog.com。 |
