我的電壓參考源設(shè)計(jì)是否對(duì)濕度敏感？控制精密模擬系統(tǒng)濕度和性能的方法

簡(jiǎn)介

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(cè)試和測(cè)量以及能量計(jì)量等應(yīng)用中的精密測(cè)量系統(tǒng)。對(duì)于設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)，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(xiàng)（密封陶瓷、塑料、裸片封裝），可以評(píng)估最終的電子產(chǎn)品能否達(dá)到預(yù)期的出色性能，這一點(diǎn)非常值得。設(shè)計(jì)中存在很多誤區(qū)，它們可能悄無(wú)聲息地讓您無(wú)法達(dá)成想要達(dá)到的μV或nV噪聲精度目標(biāo)。本文從整個(gè)PCB制造過(guò)程的角度出發(fā)，探討設(shè)計(jì)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(shí)，使系統(tǒng)不受外界環(huán)境影響。

背景知識(shí)

雖然每個(gè)電子設(shè)計(jì)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(hào)鏈都會(huì)以某種形式進(jìn)行模擬輸入信號(hào)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(gè)中速100 kSPS、16位的模擬傳感器信號(hào)輸入設(shè)計(jì)為例，具體如圖1所示。如需了解有關(guān)該信號(hào)鏈的一些設(shè)計(jì)權(quán)衡和設(shè)計(jì)選擇的更多信息，請(qǐng)參閱CN-0255電路筆記。

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(zhǎng)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。

圖1.16位信號(hào)鏈功能框圖。

在您選定了精密模擬信號(hào)鏈要使用的元件之后，就該由PCB組裝團(tuán)隊(duì)來(lái)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(jì)的基板。任何從事過(guò)精密電子工作的人都知道，板級(jí)機(jī)械應(yīng)力在精密電路設(shè)計(jì)或基于MEMS的傳感器設(shè)計(jì)中會(huì)以直流偏置的形式表現(xiàn)出來(lái)。驗(yàn)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(yīng)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(shù)不同，溫度會(huì)使封裝和電路板產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)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(jī)械應(yīng)力。在塑料封裝電壓參考中，因?yàn)榄h(huán)境原因產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力往往表現(xiàn)為隨溫度/時(shí)間變化產(chǎn)生漂移，在塑料封裝MEMS加速度計(jì)中，則表現(xiàn)為增加偏移量。對(duì)于塑料封裝，濕度導(dǎo)致的機(jī)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(huì)額外增加封裝成本，且通常會(huì)導(dǎo)致元件尺寸更大。

保形涂層選項(xiàng)

另一種將這些應(yīng)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(jī)械應(yīng)力都會(huì)對(duì)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?yàn)樗只驕囟葘?dǎo)致的應(yīng)力不會(huì)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(duì)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(shù)脂、聚氨酯、硅樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂，以及用于保護(hù)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(gè)參數(shù)是水蒸汽通過(guò)涂層的速率。因?yàn)槲覀冋谂κ筆CB不受濕度的影響，所以這一點(diǎn)相當(dāng)重要。

測(cè)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(píng)估有多少水分通過(guò)涂層進(jìn)入干杯子。為期一周的測(cè)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(biāo)稱值和材料厚度。

表1.各種HumiSeal涂層和它們的MVP

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(shí)間流逝，這些涂層都會(huì)出現(xiàn)一定程度的水分滲透。這是根據(jù)給定時(shí)間段內(nèi)給定表面區(qū)域的涂層的滲水重量測(cè)量得出的數(shù)據(jù)；在這些測(cè)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(jì)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(gè)表中得出的重要結(jié)論是，在高濕度環(huán)境下放置足夠長(zhǎng)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(shè)備所處的環(huán)境。裸露在外的電子設(shè)備只會(huì)經(jīng)歷短時(shí)間高水蒸汽滲透嗎？電子設(shè)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(duì)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(shù)據(jù)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(jī)械應(yīng)力。這是因?yàn)槿绻麘?yīng)用不當(dāng)，涂層會(huì)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(huì)滲透到親水性塑料封裝中。從1A33產(chǎn)品的數(shù)據(jù)手冊(cè)可以看出：“基材本身的清潔度對(duì)于能否成功應(yīng)用保形涂層至關(guān)重要。基材表面必須沒(méi)有水分、污垢、蠟、油脂、助焊劑殘留物和所有其他污染物。涂層下的污染物會(huì)導(dǎo)致問(wèn)題，可能導(dǎo)致組裝失敗。”對(duì)于任何想要采用保形涂層的人來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)必須注意。

數(shù)據(jù)與討論：它是否對(duì)濕度敏感？

為了評(píng)估保形涂層的效果，ADI公司制作了一套測(cè)試板。每個(gè)測(cè)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(shù)字萬(wàn)用表（002型號(hào)）進(jìn)行測(cè)量，使用LTZ1000驗(yàn)證其達(dá)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(huì)在濕度箱中放置一周，之后，保持溫度不變，增加濕度。我們?cè)谒芰戏庋b電壓參考上采用兩種不同的保形涂層工藝，以評(píng)估濕度對(duì)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(zhǔn)（圖2），在70%濕度環(huán)境下放置100小時(shí)，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(dá)到峰值，是因?yàn)闈穸韧蝗蛔兓瘜?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(cè)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(shù)據(jù)按60% RH漂移進(jìn)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(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(cè)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(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(cè)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(shí)驗(yàn)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(méi)有使用涂層時(shí)并無(wú)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(shí)的測(cè)試時(shí)間可能還不夠長(zhǎng)，因?yàn)殡妷簠⒖伎雌饋?lái)還沒(méi)有完全穩(wěn)定下來(lái)，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(shí)是這樣，這為水分滲透率概念提供了依據(jù)，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(cè)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(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?yàn)楹婵鞠鋯?wèn)題，本次測(cè)試無(wú)法超過(guò)96個(gè)小時(shí)。對(duì)30% RH到70% RH范圍的數(shù)據(jù)實(shí)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(méi)有達(dá)到本應(yīng)用過(guò)程想要達(dá)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(shuō)，如果測(cè)試時(shí)間再長(zhǎng)一些，這些微改善也會(huì)消失。表2對(duì)3次測(cè)試進(jìn)行總結(jié)。

表2.采用保形涂層的濕度測(cè)試總結(jié)

未來(lái)的測(cè)試可能采用其他類型的保形涂層（硅膠、橡膠等），應(yīng)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(rèn)應(yīng)用的涂層厚度是否達(dá)到了制造商要求的標(biāo)準(zhǔn)，以及某些邊緣位置的涂層是否足夠?？傊?，這些實(shí)驗(yàn)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?/p>

結(jié)論

在采用僅僅10位目標(biāo)精度的設(shè)計(jì)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(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(tǒng)的目標(biāo)精度是16位甚至24位，那么您必須考慮整個(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)保證達(dá)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(jì)工程師的設(shè)計(jì)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，需要咨詢涂層公司，以確保產(chǎn)品能在富有挑戰(zhàn)性的環(huán)境下實(shí)現(xiàn)出色性能?！癟his argument holds water”這句話通常意味著您的論點(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(shè)計(jì)能夠保持您所需的性能。這種設(shè)計(jì)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(duì)濕度測(cè)量法測(cè)定薄板材料水蒸汽滲透率的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法。美國(guó)材料和試驗(yàn)協(xié)會(huì)，2003年。

Bryant，James。“應(yīng)用工程師問(wèn)答—11：電壓參考必須達(dá)到什么樣的精度？”《模擬對(duì)話》，1992年1月。

HumiSeal 1A33聚氨酯保形涂層技術(shù)數(shù)據(jù)手冊(cè)。HumiSeal，2019年。

 “IPC-HDBK-830：保形涂層設(shè)計(jì)、選擇和應(yīng)用指南”。IPC，2002年10月。

 “MT-087演示教程：電壓參考?！?/em>ADI公司，2009年。

作者簡(jiǎn)介

Paul Perrault是一名高級(jí)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師，工作地點(diǎn)在加拿大卡爾加里。他在ADI公司工作了17年，負(fù)責(zé)過(guò)100多種CPU放大器電源設(shè)計(jì)以及nA級(jí)傳感器節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間所有電流電平設(shè)計(jì)。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(xiāng)間滑雪、在落基山石灰?guī)r上攀巖、去當(dāng)?shù)氐纳角鹋郎剑⑴c年輕的家人一起在戶外度過(guò)美好時(shí)光。

作者簡(jiǎn)介

Rob Kiely是加州圣克拉拉儀器儀表與精密技術(shù)部的應(yīng)用和營(yíng)銷工程師。他于2010年加入ADI公司。工作重點(diǎn)是精密信號(hào)鏈及產(chǎn)品，包括Σ-Δ ADC、精密放大器和基準(zhǔn)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(tǒng)工程碩士學(xué)位。