如何解决基准长期漂移性能问题

基准电压源在驱动混合信号系统中的总系统误差方面起着重要作用。本应用笔记将探讨影响这些基准电压源长期漂移性能的各种因素。

介绍

在混合信号系统中，基准电压源设定了精度标准。无论是偏置模数转换器（ADC）还是数模转换器（DAC），基准电压源在驱动总系统误差方面都起着重要作用。决定基准电压源整体性能的关键内部因素是IC设计架构、设计技术和制造工艺。同样重要的是噪声、热滞后、温度系数和长期漂移（LTD）等规格。

LTD的测量值是输出电压在上电时从给定基准电压源偏移，然后随时间推移以选定的间隔移动。数据以百万分之一为单位绘制。以下是LTD的理论公式：

其中，
V外= 被测器件的电压输出 （DUT）
t0= 测量
的第一个小时 tn= LTD 数据收集的第 n 小时，其中 n 可以是基准电压源上电的小时数

许多因素都会影响基准电压源的LTD。一些示例包括封装尺寸、模塑料、PCB 应力以及温度和湿度等外部环境因素引起的封装应力。使用此数据，LTD（ppm）可以使用以下函数进行实际建模：

LTD（ppm） = f（V输出（t0）、封装应力、PCB设计、PCB组装质量、化合物稳定时间、温度、湿度）

包装压力和一双鞋

一双鞋可以作为解释包装压力的适当类比。当鞋子舒适时，它们很可能是适合脚的尺寸。但是，如果鞋子太小，它们最初可能看起来很合脚，但它们可能不会太舒服，随着时间的推移，它们肯定会引起疼痛。半导体封装也发生了类似的事情。当芯片塞入不适合芯片尺寸的封装中时，会产生封装应力，这种做法会随着时间的推移影响器件的性能。

图1和图2显示了两个内核相同但不同（SOT-23和陶瓷）封装的器件的LTD图。

图1.SOT-23封装的有限公司图。

图2.陶瓷封装有限公司图。

减少 PCB 设计中的应力

一些 PCB 设计人员在设计 LTD 板时，在每个站点使用三面或四面 PCB 切口“开槽”技术来减轻焊点应力。插入印刷电路板是有益的，因为它可以将被测器件（DUT）与周围电路热隔离，这有助于减少热电偶效应并提高精度。在基准电压源的三个侧面切开印刷电路板的卡舌可以减少DUT上的焊点应力。当然，重要的是要确保不同站点和电路板的测量结果保持一致。

在连接 DUT 之前，将 PCB 烘烤经过几个温度循环是另一种降低 PCB 应力的方法。然后，在电路板上电之前，焊接DUT的PCB经历一个温度循环。这个过程减轻了经过回流焊组装的 PCB 的压力.温度循环发生在PCB回流后的短时间内。

台架测试设置注意事项

开发了一种全自动的多站点实验室设置，用于表征样本量上基准电压源的LTD，以满足高斯分析的统计要求。台式设备通过使用板载电路来上电、配置和测量 V 进行多路复用外来自不同的 DUT 站点，一次一个。

通过相应的温度和湿度传感器提供环境条件、温度和相对湿度的腔室增加了设置监控功能。自动化可确保设置配置和可靠测量的一致性，并减少后处理和数据记录中的人为错误。引脚和封装兼容的变体可以使用相同的设置进行测试。该设置由不间断电源 （UPS） 提供支持，以避免在电源故障时复位 DUT。

收集的数据包括电压输出测量值，随后对其进行后处理，以提供每个测试器件的LTD测量值。电压基准LTD的行业标准是1000小时。自动化已经创造了一种超越该基准的能力，通过监控和收集长达 10，000 小时的数据（图 6）。LTD数据取自Maxim的几条常用基准电压源和竞争进行比较。

图6.MAX6070 LTD超过10，000小时。

回流焊组件

PCB组装通常在工业中通过回流焊完成.在实验中应用了相同的方法。这可确保所有必需的组件都经过相同的指定温度曲线，从而最大限度地减少因手工焊接和由于手动焊接而导致的长时间高温暴露而导致的错误。

封装化合物沉降

半导体器件封装在由环氧树脂、催化剂、固化剂和脱模剂组成的塑料模塑料制成的封装中。为了获得最佳的器件性能和耐用性，谨慎的做法是评估不同的化合物特性（如玻璃温度转变、弯曲或弯曲强度、吸湿性和附着力）以选择合适的材料。

玻璃温度转变是化合物的粘度、热膨胀和热容表现出相对突然变化的温度点。具有高弯曲强度的模塑料施加更大的应力，不适用于小型或薄型封装。由于基准电压LTD受相对湿度影响很大（本应用笔记稍后将讨论），因此吸湿率是需要考虑的关键化合物特性之一。

采用SOT-23塑料封装的MAX6025AEUR+（图7）采用LTD设置进行测试。数据显示，包装化合物在最初的 200 到 300 小时内沉降。

图7.包装化合物在前 200-300 小时内沉淀。

温度

以下温度相关参数会影响基准电压源的LTD性能：

温度系数（温度系数）

热滞后

天普科

温度系数是相对于温度变化的最大电压输出漂移。它通过“盒子”法测量，即最大ΔV外/ V外除以最大 ΔT（图 8）。

图8.典型的温度图。

热滞后

热迟滞是器件在整个工作温度范围内循环前后TA = +25°C时输出电压的变化。迟滞是由施加到器件上的机械应力产生的，基于器件之前处于较高还是较低的温度（图 9）。

图9.典型热滞后图。

相对湿度

影响LTD的最不为人所知的因素是相对湿度，它随温度和气压而变化。相对湿度是空气中存在的水蒸气量，表示为相同温度下饱和所需量的百分比。虽然半导体封装提供电绝缘，但它不是气密密封的，大气气体可以通过多孔塑料模具和引线框架的开口扩散。组装后的模具含有扩散空气，水分子可以缓慢扩散。虽然这种影响在瞬时测试中并不明显，但对于相对测量（如LTD）来说，这种影响在较长时间内是突出的。

我们的实验室实验显示，采用SC70-3塑料封装的MAX6138AEXR25的相对湿度从40%变为25%，LTD测量值发生了显著变化（图10）。这种情况描绘了由于相对湿度的变化，LTD呈成反比的变化。MAX6138EXR25基本上就像一个湿度跟踪器。MAX6279与MAX6138是相同的器件内核，但采用陶瓷测试封装，当相对湿度变化相同时，漂移保持在35ppm左右。LTD没有太大变化（图11）。这清楚地表明，陶瓷由于其无孔材料，对水分的影响具有良好的免疫力。

图 10.MAX6138AEXR25（SC70-3塑料封装）;LTD关于相对湿度。

图 11.MAX6279陶瓷测试芯片有限公司相对湿度。

结论

传统上，半导体制造商仅显示其基准电压源的1000小时LTD数据，这对于运行多年的系统来说是最低限度的。虽然被忽视，但LTD是使用寿命为15至20年的工业系统最重要的规范之一。为了更好地了解Maxim的基准电压源性能，对Maxim常用的SOT-23（6引脚塑料）和陶瓷封装的基准电压源进行了10，000小时的测试。由于LTD性能还取决于外部因素，因此系统设计人员除了关注适合其应用的正确器件/封装选择外，还应注意设置设计、控制和校准选项。

审核编辑：郭婷