我的電壓參考源設計是否對濕度敏感?控制精密類比系統濕度和性能的方法

ADI資深現場應用工程師 Paul Perrault
儀器儀錶與精密技術部應用暨行銷工程師 Rob Kiely

簡介

電壓參考在精密類比系統中具有相當重要的作用,通常是用於設定類比數位轉換器(ADC)中雜訊/解析度的下限值,主要適用於儀器儀錶、測試和測量以及能量計量等應用中的精密測量系統。對於設計工程師來說,供應商提供的產品組合可能包含眾多晶片可供選擇,令人眼花繚亂。但是,使用各種電壓參考規格(電壓雜訊、精度、漂移、靜態電流、串聯和分流等)及其封裝選項(密封陶瓷、塑膠、裸片封裝),則可以評估最終的電子產品能否達到預期的出色性能,這一點是非常值得的。設計中存在很多誤區,它們可能悄然無聲地讓您無法達成想要達到的μV或nV雜訊精度目標。本文從整個PCB製造過程的角度出發,探討設計工程師或PCB組裝工程師如何在保證系統類比性能的同時,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,但一般的類比訊號鏈都會以某種形式進行類比輸入訊號處理,例如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位元的類比感測器訊號輸入設計為例,具體如圖1所示。

 

圖1.16位元訊號鏈功能框圖。

 

本應用中使用的2.5 V電壓參考是ADR45xx塑膠封裝電壓參考系列中的ADR4525,可以提供高精度、低功耗、低雜訊,且具有±0.01%(±100ppm)初始精度、卓越的溫度穩定性和低輸出雜訊。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)使該元件非常適合可攜式裝置。

在您選定了精密類比訊號鏈要使用的元件之後,就該由PCB組裝團隊來生產可重複生產的系統,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於MEMS的感測器設計中會以直流偏置的形式表現出來。驗證的方法相當簡單,您只需要按壓電壓參考的塑膠封裝,就可以看到輸出電壓或感測器輸出的變化。由於水分/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元件性能。由於製作封裝和電路板的材料的熱膨脹係數不同,溫度會使封裝和電路板產生機械應力。由於塑膠和電路板都會吸收水分並膨脹,水分會使封裝和電路板產生機械應力。在塑膠封裝電壓參考中,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,在塑膠封裝MEMS加速度計中,則表現為增加偏移量。對於塑膠封裝,濕度導致的機械應力相當顯著,要控制這種濕度效應,方法之一就是將積體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,但這種解決方案也會額外增加封裝成本,且通常會導致元件尺寸更大。

保形塗層選項

另一種將這些應力從參考電壓中分離出來的方法是在PCB製造過程中使用保形塗層,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上塗上一層薄薄的複合塗層,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晶片封裝上的差異應力,並且產生漂移。這也可以確保減小低溫凝結濕氣對封裝的影響。

HumiSeal®是一家專業塗料製造商,提供多種保形塗層,包括丙烯酸樹脂、聚氨酯、矽樹脂、環氧樹脂,以及用於保護PCB生產中的敏感元件的水性塗料。水蒸汽滲透性(MVP)參數可以確定選擇的塗層是否合適,這個參數是水蒸汽通過塗層的速率。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的方法為:取乾杯子塗上相應的塗層,將它們置於不同濕度的恒溫室中,然後定期稱量杯子的重量,以評估有多少水分通過塗層進入乾杯子。為期一周的測試表明,這些塗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塗層時,它們各自的MVP標稱值和材料厚度。

表1.各種HumiSeal塗層和它們的MVP
材料 蒸汽滲透 ((g/m2)/天) 標準蒸汽滲透
((g/m2)/天/mil)
厚度(mil)
HumiSeal 1A33 9.18 0.315 29.13
HumiSeal 2A64 13.54 0.249 54.33
HumiSeal 1A20 21.89 0.492 44.49
HumiSeal UV40 0.83 0.024 35
HumiSeal UV40 由於不透水,測試一周後無數據 由於不透水,測試一周後無數據 61.41
HumiSeal UV40-250 9.1 0.156 58.26
HumiSeal 1B73 25.1 1.2 20.86
HumiSeal 1C49LV 60.14 2.22 27
HumiSeal 1B51 0.78 0.026 35

查看表中的資料可以發現,在所有情況下(除了UV40這種非常厚的紫外線固化塗層材料以外),隨著時間流逝,這些塗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塗層的滲水重量測量得出的資料;在這些測量中,時間週期為七天。選擇常用的1A33塗層(一種使用方便、經濟高效的聚氨酯塗層)結果顯示,與相同厚度的橡膠基1B51塗層相比,該塗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後,這些塗層無法完全隔離水分滲透。

這並不是否定保形塗層的使用。相反的,這可以説明瞭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?採用保形塗層和即系腰帶又穿背帶一樣有用?電子元件所處的環境變化如此頻繁,採用保形塗層是否只是為了讓電子元件再過快的環境變化性能更優?對於產品所有者而言,在開始採用保形塗層之前,瞭解所有這些問題非常重要。

在討論實際資料之前,需要考慮的一個問題是,在某些情況下使用保形塗層會增加機械應力。這是因為如果應用不當,塗層會增大封裝應力。例如,在PCB製造階段,如果電壓參考封裝的表面在塗層之前就含有水分,那麼幾乎可以肯定,這些水分會滲透到親水性塑膠封裝中。從1A33產品的資料手冊可以看出--基材本身的清潔度對於能否成功應用保形塗層至關重要。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。塗層下的污染物會導致問題,可能導致組裝失敗-- 對於任何想要採用保形塗層的人來說,這點必須注意。

數據與討論:它是否對濕度敏感?

為了評估保形塗層的效果,ADI製作了一套測試板。每個測試板都具備27個相同的高性能電壓參考,採用推薦的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,然後使用Keysight 3458A 8.5位元數位萬用表(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,之後,保持溫度不變,增加濕度。我們在塑膠封裝電壓參考上採用兩種不同的保形塗層工藝,以評估濕度對塗層的影響。

 

圖2.ADR4525陶瓷封裝中的電壓參考。

 

以採用陶瓷封裝的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。資料首次達到峰值,是因為濕度突然變化導致溫度躍升。從資料中可以看出,濕度室的溫度緩慢回升至25°C。相反的,將採用塑膠封裝的電壓參考晶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中的資料按60% RH漂移進行規格化處理,結果顯示,在未採用保形塗層的情況下,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小時之後,漂移並未完全停止。

 

圖3.塑膠封裝中的ADR4525參考電壓受20%到80%的濕度影響。

 

接下來測試了HumiSeal 1B73丙烯酸塗層,資料如圖4所示。應用步驟如下:先洗淨和烘乾電路板(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,然後150°F烘烤2小時),然後噴塗指定厚度的1B73塗層。除邊緣連接器外,整個電路板都被塗層覆蓋,且電路板必須乾淨,才能測量輸出電壓。

 

圖4.採用噴塗方式,在ADR45xx參考電壓表面塗覆HumiSeal 1B73丙烯酸塗層。

 

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,與沒有使用塗層時並無太大差別。諮詢HumiSeal之後得知,可能塗層未能與電壓參考封裝底面以及元件邊緣完全融合。這裡還需要注意的是,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,與未塗層元件類似。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,即塗層並沒有阻止水分,而是減慢了水分滲透的速度。

下一個測試嘗試採用相同的保形塗層(HumiSeal 1B73),但採用深浸式三步塗覆工藝,以確保塗層完全覆蓋整個電路板。數據如圖5所示。

 

圖5.採用深浸式三步塗覆工藝,在ADR45xx參考電壓表面塗覆HumiSeal 1B73丙烯酸塗層。

 

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範圍的資料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,但噴塗塗層出現些微改善,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。

表2.採用保形塗層的濕度測試總結
ADR4525塑膠封裝,無塗層 ADR45xx塑膠封裝,1B73噴塗塗層 ADR45xx塑膠封裝,1B73深浸式塗層 ADR4525陶瓷封裝
測試時長 168 168 96 168
RH測試方法 20% RH至80% RH 30% RH至70% RH 30% RH至70% RH 30% RH至70% RH
輸出漂移結果 2.5 ppm/% RH 2.5 ppm/% RH 2.3 ppm/% RH 0.075 ppm/% RH

未來的測試可能採用其他類型的保形塗層(矽膠、橡膠等),應用過程也會做出許多變化。此外,在塗層之後進行截面分析也可以確認應用的塗層厚度是否達到了製造商要求的標準,以及某些邊緣位置的塗層是否足夠。總之,這些實驗資料表明,陶瓷密封封裝是防止濕氣浸入的唯一理想防禦方法。

結論

在採用僅僅10位元目標精度的設計中(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然無聲地影響到精度。但是,如果您的精密儀器儀錶系統的目標精度是16位元、甚至24位,那麼您必須考慮整個系統設計,包括PCB製造,以確保在設計的整個生命週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採用密封封裝,例如陶瓷,此外,保形塗層可以説明減緩精密類比電子元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,需要諮詢塗層公司,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!

參考資料

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麼樣的精度?《類比對話》, 1992年1月。

HumiSeal 1A33聚氨酯保形塗層技術資料手冊。HumiSeal,2019年。

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

MT-087展示教程:電壓參考。”ADI公司,2009年。