作者：Paul Perrault和Robert Kiely ADI公司
简介
电压参阅在精细模仿体系中起着至关重要的作用，一般用于设定模数转换器（ADC）中噪声/分辨率的下限值，适用于仪器仪表、测验和丈量以及能量计量等运用中的精细丈量体系。关于规划工程师来说，供货商供给的产品组合或许包含许多芯片可供挑选，令人目不暇接。可是，运用各种电压参阅规范（电压噪声、精度、漂移、静态电流、串联和分流等）及其封装选项（密封陶瓷、塑料、裸片封装），可以评价终究的电子产品能否到达预期的超卓功用，这一点十分值得。规划中存在许多误区，它们或许悄然无声地让您无法到达想要到达的μV或nV噪声精度方针。本文从整个PCB制作进程的视点动身，评论规划工程师或PCB拼装工程师如安在保证体系模仿功用的一同，使体系不受外界环境影响。
布景常识
尽管每个电子规划在功用方面都会做出不同程度的退让，但一般的模仿信号链都会以某种办法进行模仿输入信号调度，比方ADC和电压参阅。为了辅佐论述本文的宗旨，咱们将以一个中速100 kSPS、16位的模仿传感器信号输入规划为例，详细如图1所示。如需了解有关该信号链的一些规划权衡和规划挑选的更多信息，请参阅CN-0255电路笔记。
本运用中运用的2.5 V电压参阅是ADR45xx塑料封装电压参阅系列中的ADR4525，可以供给高精度、低功耗、低噪声，且具有±0.01%（±100ppm）初始精度、超卓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时刻输出电压漂移提高了体系功用。950 μA的最大作业电流和500 mV的低压差（最大值）使该器材十分适宜便携式设备。
图1.16位信号链功用框图。
在您选定了精细模仿信号链要运用的元件之后，就该由PCB拼装团队来出产可重复出产的体系，他们运用印刷电路板作为电子规划的基板。任何从事过精细电子作业的人都知道，板级机械应力在精细电路规划或根据MEMS的传感器规划中会以直流偏置的办法表现出来。验证办法很简单，您只需求按压电压参阅的塑料封装，就可以看到输出电压或传感器输出的改变。由于水分/湿度/温度会形成差异应力，所以水分和温度等环境要素会影响电子器材功用。由于制作封装和电路板的资料的热胀大系数不同，温度会使封装和电路板发生机械应力。由于塑料和电路板都会吸收水分并胀大，水分会使封装和电路板发生机械应力。在塑料封装电压参阅中，由于环境原因发生的机械应力往往表现为随温度/时刻改变发生漂移，在塑料封装MEMS加速度计中，则表现为添加偏移量。关于塑料封装，湿度导致的机械应力适当明显，要操控这种湿度效应，办法之一便是将集成电路封装到陶瓷或密封封装中。尽管此办法能处理很多与湿度有关的应战，但这种处理方案会额定添加封装本钱，且一般会导致元件尺度更大。
保形涂层选项
另一种将这些应力从参阅电压中分离出来的办法是在PCB制作进程中运用保形涂层，这样电路板上的任何机械应力都会对参阅电压形成更小的影响。在这种情况下，在电压参阅和相应的PCB上涂上一层薄薄的复合涂层，可以保证PCB上由于水分或温度导致的应力不会彻底转化为参阅电压芯片封装上的差异应力，并且发生漂移。这也可以保证减小低温凝聚湿气对封装的影响。
HumiSeal®是一家专业涂料制作商，供给多种保形涂层，包含丙烯酸树脂、聚氨酯、硅树脂、环氧树脂，以及用于维护PCB出产中的灵敏器材的水性涂料。水蒸汽浸透性（MVP）参数可以承认挑选的涂层是否适宜，这个参数是水蒸汽经过涂层的速率。由于咱们正在努力使PCB不受湿度的影响，所以这一点适当重要。
测验MVP的办法：取干杯子涂上相应的涂层，将它们置于不同湿度的恒温室中，然后定时称量杯子的分量，以评价有多少水分经过涂层进入干杯子。为期一周的测验标明，这些涂层可以有用减缓水分经过的速度。
表1所示为挑选各种保形涂层时，它们各自的MVP标称值和资料厚度。
表1.各种HumiSeal涂层和它们的MVP
查看表中的数据可以发现，在一切情况下（除了UV40这种十分厚的紫外线固化涂层资料以外），跟着时刻消逝，这些涂层都会呈现必定程度的水分浸透。这是根据给定时刻段内给定外表区域的涂层的渗水分量丈量得出的数据；在这些丈量中，时刻周期为七天。挑选常用的1A33涂层（一种运用方便、经济高效的聚氨酯涂层）成果显现，与相同厚度的橡胶基1B51涂层比较，该涂层减缓水蒸汽吸收速度的作用高出10倍以上。可是，从这个表中得出的重要定论是，在高湿度环境下放置满足长的时刻后，这些涂层无法彻底阻隔水分浸透。
这并不是否定了保形涂层的运用。相反，这可以协助了解电子设备所在的环境。暴露在外的电子设备只会阅历短时刻高水蒸汽浸透吗？电子设备的包装/容器是否会阻挠水蒸汽浸透？选用保形涂层和即系腰带又穿背带相同有用？电子器材所在的环境改变如此频频，选用保形涂层是否只是为了让电子器材再过快的环境改变功用更优？关于产品一切者而言，在开端选用保形涂层之前，了解一切这些问题十分重要。
在评论实践数据之前，需求考虑的一个问题是，在某些情况下运用保形涂层会添加机械应力。这是由于假如运用不妥，涂层会增大封装应力。例如，在PCB制作阶段，假如电压参阅封装的外表在涂层之前就含有水分，那么简直可以必定，这些水分会浸透到亲水性塑料封装中。从1A33产品的数据手册可以看出：“基材自身的清洁度关于能否成功运用保形涂层至关重要。基材外表有必要没有水分、尘垢、蜡、油脂、助焊剂残留物和一切其他污染物。涂层下的污染物会导致问题，或许导致拼装失利。”关于任何想要选用保形涂层的人来说，这点有必要留意。
数据与评论：它是否对湿度灵敏？
为了评价保形涂层的作用，ADI公司制作了一套测验板。每个测验板都具有27个相同的高功用电压参阅，选用引荐的J-STD-020回流办法焊接到PCB上。将这些电路板放置到湿度箱中，然后运用Keysight 3458A 8.5位数字万用表（002类型）进行丈量，运用LTZ1000验证其到达4 ppm/年漂移量。湿度箱坚持稳定温度和湿度，以便电路板坚持稳定。电路板会在湿度箱中放置一周，之后，坚持温度不变，添加湿度。咱们在塑料封装电压参阅上选用两种不同的保形涂层工艺，以评价湿度对涂层的影响。
图2.ADR4525陶瓷封装中的电压参阅。
以选用陶瓷封装的ADR4525为参阅基准（图2），在70%湿度环境下放置100小时，成果显现，输出电压的改变约为3 ppm，或0.075 ppm/% RH，这标明陶瓷封装具有超卓的稳定性。数据初次到达峰值，是由于湿度忽然改变导致温度跃升。从数据中可以看出，湿度室的温度缓慢回升至25°C。相反，将选用塑料封装的电压参阅芯片放置到相同的环境和测验条件下时，其电压输出改变为约150 ppm，详细如图3所示。将图3中的数据按60% RH漂移进行规范化处理，成果显现，在未选用保形涂层的情况下，输出漂移约2.5 ppm/% RH。此外，很明显可以看出，将电路板放置在高湿度环境中168小时之后，漂移并未彻底中止。
图3.塑料封装中的ADR4525参阅电压受20%到80%的湿度影响。
接下来测验了HumiSeal 1B73丙烯酸涂层，数据如图4所示。运用进程如下：先洗净和烘干电路板（将电路板快速浸入75%异丙醇和25%去离子水中几回，用手轻刷，然后150°F烘烤2小时），然后喷涂指定厚度的1B73涂层。除边际连接器外，整个电路板都被涂层掩盖，且电路板有必要洁净，才干丈量输出电压。
图4.选用喷涂办法，在ADR45xx参阅电压外表涂覆HumiSeal 1B73丙烯酸涂层。
本实验中运用的烘烤箱的湿度应力被限定在70% RH，规范化漂移大约为100 ppm/40% RH左右或2.5 ppm/% RH，与没有运用涂层时并无太大不同。咨询HumiSeal之后得知，或许涂层未能与电压参阅封装底面以及器材边际彻底交融。这儿还需求留意的是，在高湿度环境下168小时的测验时刻或许还不行长，由于电压参阅看起来还没有彻底稳定下来，与未涂层器材相似。可是，值得留意的是，湿度影响的改变速度好像现已减缓，至少在开始时是这样，这为水分浸透率概念供给了根据，即涂层并没有阻挠水分，而是减慢了水分浸透的速度。
下一个测验测验选用相同的保形涂层（HumiSeal 1B73），但选用深浸式三步涂覆工艺，以保证涂层彻底掩盖整个电路板。数据如图5所示。
图5.选用深浸式三步涂覆工艺，在ADR45xx参阅电压外表涂覆HumiSeal 1B73丙烯酸涂层。
由于烘烤箱问题，本次测验无法超越96个小时。对30% RH到70% RH规模的数据施行规范化的进程显现为90 ppm左右或2.3 ppm/% RH的漂移，这没有到达本运用进程想要到达的大幅改进作用，但喷涂涂层呈现些微改进，当然也可以说，假如测验时刻再长一些，这些微改进也会消失。表2对3次测验进行总结。
表2.选用保形涂层的湿度测验总结
未来的测验或许选用其他类型的保形涂层（硅胶、橡胶等），运用进程也会做出许多改变。此外，在涂层之后进行截面剖析也可以承认运用的涂层厚度是否到达了制作商要求的规范，以及某些边际方位的涂层是否满足。总归，这些实验数据标明，陶瓷密封封装是避免湿气浸入的仅有抱负防护办法。
定论
在选用只是10位方针精度的规划中（1/1000类型精度，或许5 V参阅中的±5 mV），各种差错源或许会悄然无声地影响到精度。可是，假如您的精细仪器仪表体系的方针精度是16位乃至24位，那么您有必要考虑整个体系规划，包含PCB制作，以保证在规划的整个生命周期内保证到达该精度。本文显现，保证湿度功用的抱负办法便是选用密封封装，例如陶瓷，此外，保形涂层可以协助减缓精细模仿电子器材受湿度影响的速度。当规划工程师的规划进入出产阶段时，会需求用到电子范畴以外的技能，需求咨询涂层公司，以保证产品能在赋有应战性的环境下完成超卓功用。“This argument holds water”这句话一般意味着您的观点有价值并且是正确的。在这种情况下，遵从最佳实践可以保证您的电压参阅自身不会被水汽浸蚀，而是将水挡在外面，保证您的精细规划可以坚持您所需的功用。这种规划办法或许存在缺点，可是您的电压参阅不会！
参阅资料
ASTM E398-03，用动态相对湿度丈量法测定薄板资料水蒸汽浸透率的规范测验办法。美国资料和实验协会，2003年。
Bryant，James。“运用工程师问答—11：电压参阅有必要到达什么样的精度？”《模仿对话》，1992年1月。
HumiSeal 1A33聚氨酯保形涂层技能数据手册。HumiSeal，2019年。
“IPC-HDBK-830：保形涂层规划、挑选和运用攻略”。IPC，2002年10月。
“MT-087演示教程：电压参阅。”ADI公司，2009年。
作者简介
Paul Perrault是一名高档现场运用工程师，作业地点在加拿大卡尔加里。他在ADI公司作业了17年，担任过100多种CPU放大器电源规划以及nA级传感器节点和节点间一切电流电平规划。他具有加拿大萨斯喀彻温大学电气工程理学学士学位以及波特兰州立大学电气工程硕士学位。业余时刻，他喜爱在乡下滑雪、在落基山石灰岩上攀岩、去当地的山丘爬山，并与年青的家人一同在户外度过美好时光。
作者简介
Rob Kiely是加州圣克拉拉仪器仪表与精细技能部的运用和营销工程师。他于2010年参加ADI公司。作业重点是精细信号链及产品，包含Σ-Δ ADC、精细放大器和基准电压源。Rob具有爱尔兰利默里克大学的电气工程学士学位和VLSI体系工程硕士学位。
