精密模拟系统中湿度和性能的管理方法

作者：Paul Perrault and Robert Kiely

基准电压源在精密模拟系统中起着至关重要的作用，通常在仪器仪表、测试和测量以及电能计量应用中的精密测量系统中设置模数转换器（ADC）内的噪声/分辨率底限。对于设计工程师来说，供应商的产品组合可能包括一系列令人眼花缭乱的硅选项。但是，在各种基准电压规格（电压噪声、精度、漂移、静态电流、串联与分流等）及其封装选项（密封陶瓷、塑料、芯片封装）中，值得评估最终电子产品是否真正发挥了预期的最佳性能。有许多设计陷阱很容易破坏您希望实现的μV或nV精度噪声目标。通过对PCB制造过程的整体了解，本文探讨了设计工程师或PCB组装工程师在保持模拟性能的同时防止破坏性环境影响的方法。

背景

虽然每种电子设计在性能方面都有不同的权衡，但一般模拟信号链将具有某种形式的模拟输入信号调理、ADC和基准电压源。在本文中，我们将使用中速100 kSPS、16位模拟传感器输入设计，如图1所示。有关该信号链中的一些权衡和设计选择的更多信息，请参见CN-0255电路笔记。

图1.16位信号链框图

本应用中使用的2.5 V基准电压源是塑料封装基准电压源ADR45xx系列中的ADR4525，具有高精度、低功耗、低噪声等特性，具有初始精度±0.01%（±100 ppm）、出色的温度稳定性和低输出噪声。ADR4525的低热致输出电压迟滞和低长期输出电压漂移改善了系统性能。该器件的最大工作电流为 950 μA，低压差电压为 500 mV（最大值），非常适合便携式设备。

一旦您为精密模拟信号链选择了组件，PCB组装团队就可以使用印刷电路板作为电子设计的基板来制造可重复的系统。任何从事精密电子工作的人都知道，电路板级的机械应力可以在精密电路设计中表现为直流偏移，或者在基于MEMS的传感器设计中表现为类似。这通常可以通过简单地按下基准电压源的塑料封装并观察输出电压或传感器输出的变化来证明。因此，由于湿度/湿度/温度引起的应力差异，湿度和温度等环境因素会影响电子性能。由于构成封装和电路板的材料的不同热膨胀系数，温度会在封装和电路板中产生机械应力。湿气会在封装和电路板中引起机械应力，因为塑料和电路板都会吸收水分，导致它们膨胀。环境引起的机械应力的结果通常表现为塑料封装基准电压源的温度/时间漂移增加，或塑料封装MEMS加速度计失调增加。对于塑料封装，湿度产生的机械应力很大，管理这种湿度效应的一种方法是将集成电路封装在陶瓷或密封封装中。虽然这解决了湿度方面的大量挑战，但该解决方案带来了高级封装的额外成本，并且通常需要更大尺寸的组件。

敷形涂层选项

将这些应力与基准电压源隔离的另一种建议方法是在PCB制造过程中使用保形涂层，以便电路板级的任何机械应力都能转化为基准电压源处的较小应力。在这种情况下，在基准电压源和相应的PCB上涂上一层薄薄的涂层化合物可确保通过施加到PCB上的水分或温度引起的任何应力不会转化为基准电压源芯片封装的差分应力并引起偏移。这也确保了低温引起的冷凝产生的湿度对进入封装的湿气的影响较小。

HumiSeal 是一家专业的涂料制造商，提供许多保形涂料，包括丙烯酸、聚氨酯、有机硅、环氧树脂和水性涂料，用于保护 PCB 制造中的敏感设备。允许选择适当涂层的参数之一称为水分蒸气渗透性（MVP），它是水蒸气通过涂层的速率。这与我们的应用有关，因为我们试图使PCB不受湿度影响.®

MVP的测试方法是取一个涂有相应涂层的干杯，将其放入各种湿度的温度室中，然后定期称量杯子以评估有多少水分通过材料并进入干杯。经过一周的此类测试，很明显涂层如何有效地减缓水的进展。

表 1 显示了一系列保形涂层及其各自的 MVP 归一化为每密耳厚度值。

 

材料	蒸汽渗透（（克/米）2）/天）	归一化蒸汽渗透（ （g/m2）/天/密耳）	厚度（密耳）
HumiSeal 1A33	9.18	0.315	29.13
HumiSeal 2A64	13.54	0.249	54.33
HumiSeal 1A20	21.89	0.492	44.49
湿米密封UV40	0.83	0.024	35
湿米密封UV40	由于不渗透性，测试一周后没有数据	由于不渗透性，测试一周后没有数据	61.41
湿米密封UV40-250	9.1	0.156	58.26
HumiSeal 1B73	25.1	1.2	20.86
湿米密封 1C49LV	60.14	2.22	27
HumiSeal 1B51	0.78	0.026	35

 

检查该表会产生一个重要的见解 - 在所有情况下（除了称为UV40的非常厚的紫外线固化涂层材料），所有这些涂层都允许一定量的蒸汽随着时间的推移通过涂层。这是以在给定时间段内通过给定表面积渗透涂层的水的重量来衡量的;在这些测量中，时间段为七天。选择流行的 1A33 涂层（一种易于应用的聚氨酯涂层，这也意味着它具有成本效益）表明，这种涂层在减缓水蒸气吸收速率方面的效率比类似厚度的橡胶基 1B51 涂层低 10 倍以上。然而，这里的关键信息是，如果它们在高湿度下放置足够长的时间，这些涂层都不会完全阻挡湿度。

这并不是要贬低敷形涂层的使用。相反，了解电子设备将部署的环境很有用。暴露的电子设备只会经历短时间的高水蒸气吗？电子产品的包装/容器是否会阻挡水蒸气，这意味着保形涂层与同时佩戴皮带和吊带一样有用？电子设备的环境变化是否如此频繁，以至于保形涂层的目的仅仅是阻止电子设备的快速变化？所有这些问题对于产品所有者在开始敷形涂覆路径之前都要考虑。

在继续查看实际数据之前，需要考虑的一个想法是，在某些情况下使用保形涂层会增加机械应力问题。这是因为涂层如果应用不当，可能会给包装增加应力。例如，如果在PCB制造阶段，基准电压源封装的表面在涂层之前有水分，这几乎可以肯定地确保这些水分会迁移到亲水性塑料封装中。来自 1A33 产品的数据表：“基材的清洁度对于保形涂层的成功应用至关重要。表面必须没有水分、污垢、蜡、油脂、助焊剂残留物和所有其他污染物。涂层下的污染可能会导致可能导致装配故障的问题。这对任何考虑敷形涂层的人来说都是很好的指导。

数据和讨论：它站得住脚吗？

为了评估敷形涂层的效果，ADI公司生产了一套测试板。每块电路板都有 27 个相同的高性能基准电压源，使用推荐的 J-STD-020 回流曲线焊接到 PCB 上。这些电路板放置在湿度室中，并使用 Keysight 3458A 8.5 位数字万用表（002 型号）进行测量，使用 LTZ1000 可实现 4 ppm/年的漂移。腔室保持在恒定的温度和湿度，同时允许板沉降。在施加湿度步骤之前，电路板在腔室中放置长达一周，同时保持温度恒定。在塑料封装的基准电压源上使用两种不同的保形涂层工艺来评估存在涂层时湿度的影响。

图2.ADR4525基准电压源，采用陶瓷封装。

使用陶瓷封装的ADR4525作为基线（图2），可以确定在70%湿度下工作100小时后，电压输出的变化为~3 ppm或0.075 ppm/%RH，具有出色的稳定性。数据中的初始峰值是由于湿度的突然变化引起的温度跳跃。湿度室将温度缓慢恢复到25°C，从数据中可以看出。相比之下，在相同的环境和测试条件下，相同的电压基准芯片放置在塑料封装中时，电压输出变化为~150 ppm，如图3所示。使用60%相对湿度偏移对图3中的数据进行归一化，发现输出漂移为~2.5 ppm/%相对湿度，未应用保形涂层。看起来很明显，在高湿度环境中浸泡电路板 168 小时后，漂移还没有完全解决。

图3.采用塑料封装的基准电压源ADR4525，湿度步长为20%至80%。

接下来对HumiSeal 1B73丙烯酸涂料进行测试，数据如图4所示。应用程序包括首先清洗和烘烤板（将板快速浸入 75% 异丙醇和 25% 去离子水中几次，轻轻手刷，然后在 150°F 下烘烤 2 小时），然后将 1B73 涂层喷涂到指定厚度。除边缘连接器外，整个电路板都进行了涂层，边缘连接器必须清洁才能测量输出电压。

图4.ADR45xx基准电压源涂覆HumiSeal 1B73丙烯酸涂层，采用喷涂应用。

虽然本测试中使用的烘箱将湿度应力限制在 70% RH，但归一化漂移看起来像 ~100 ppm/40% RH 或 2.5 ppm/% RH，这与没有涂覆的漂移没有太大区别。在与HumiSeal协商后，涂层可能没有完全粘附在基准电压源封装的底部以及零件的边缘。这里还需要注意的是，在高湿度下进行~168小时的测试可能仍然不够长，因为基准电压看起来还没有完全稳定下来，类似于未涂层的部件。然而，值得注意的是，至少在最初的时间步长上，湿度效应的变化速度似乎确实变慢了，这为水分蒸气渗透率的概念提供了可信度，其中涂层不会阻止水分，而是减慢了它的速度。

接下来的测试尝试了相同的保形涂层（HumiSeal 1B73），但采用了三步应用工艺，使用浸涂工艺来更好地确保电路板的完全覆盖。此数据如图 5 所示。

图5.ADR45xx基准电压源采用HumiSeal 1B73丙烯酸涂层，采用3步浸涂应用。

烤箱的问题阻止了超过96小时的测试。将 30% RH 到 70% RH 步骤的数据集归一化显示 ~90 ppm 或 2.3 ppm/% RH，这不是此应用过程所希望的巨大改进，而是对喷涂涂层的轻微改进——尽管公平地说，如果等待更长时间的测试，这种轻微的改进可能会消失。表2总结了这三个测试。

 

	ADR4525 塑料，无涂层	ADR45xx 塑料，1B73 喷涂	ADR45xx 塑料，1B73 浸渍涂层	ADR4525 陶瓷
测试时间	168	168	96	168
相对湿度测试制度	20% 相对湿度至 80% 相对湿度	30% 相对湿度至 70% 相对湿度	30% 相对湿度至 70% 相对湿度	30% 相对湿度至 70% 相对湿度
输出漂移结果	2.5 ppm/% 相对湿度	2.5 ppm/% 相对湿度	2.3 ppm/% 相对湿度	0.075 ppm/% 相对湿度

 

未来的测试可能包括其他类型的保形涂层（硅胶、橡胶等）以及应用过程中的许多其他变化。此外，在涂层后进行横截面分析还可以确认应用厚度是否符合制造商的规格，以及某些边缘是否充分涂层。简而言之，这些实验的数据表明，陶瓷密封封装是防止湿气进入的最佳方法。

结论

在仅针对10位精度（1000种精度为1/1或5 V基准电压源为±5 mV）的设计中，隐藏各种误差源的不准确性的空间很大。但是，如果您的精密仪器系统的目标是16位甚至24位的精度，则必须查看整个系统设计，包括PCB制造，以确保在设计的整个生命周期内完全精度。本文表明，确保湿度性能的最佳方法是使用陶瓷等密封封装，而保形涂层可以减缓精密模拟电子产品中的湿度效应。随着设计工程师将他们的设计转移到制造阶段，有必要利用电子以外的技能，与涂料公司协商，以便在具有挑战性的环境中获得最佳性能。“这个论点站得住脚”这句话通常意味着你的论点有价值并且是正确的。在这种情况下，遵循最佳实践将确保您的基准电压源本身不会保持水，而是将水拒之门外，并保持您在精密设计中所需的性能。这种设计方法可以保持水分，而您的基准电压源则不然！

审核编辑：郭婷