基準(zhǔn)電壓源在驅(qū)動(dòng)混合信號(hào)系統(tǒng)中的總系統(tǒng)誤差方面起著重要作用。本應(yīng)用筆記將探討影響這些基準(zhǔn)電壓源長(zhǎng)期漂移性能的各種因素。

介紹

在混合信號(hào)系統(tǒng)中，基準(zhǔn)電壓源設(shè)定了精度標(biāo)準(zhǔn)。無(wú)論是偏置模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）還是數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC），基準(zhǔn)電壓源在驅(qū)動(dòng)總系統(tǒng)誤差方面都起著重要作用。決定基準(zhǔn)電壓源整體性能的關(guān)鍵內(nèi)部因素是IC設(shè)計(jì)架構(gòu)、設(shè)計(jì)技術(shù)和制造工藝。同樣重要的是噪聲、熱滯后、溫度系數(shù)和長(zhǎng)期漂移（LTD）等規(guī)格。

LTD的測(cè)量值是輸出電壓在上電時(shí)從給定基準(zhǔn)電壓源偏移，然后隨時(shí)間推移以選定的間隔移動(dòng)。數(shù)據(jù)以百萬(wàn)分之一為單位繪制。以下是LTD的理論公式：

其中，
V外= 被測(cè)器件的電壓輸出 （DUT）
t0= 測(cè)量
的第一個(gè)小時(shí) tn= LTD 數(shù)據(jù)收集的第 n 小時(shí)，其中 n 可以是基準(zhǔn)電壓源上電的小時(shí)數(shù)

許多因素都會(huì)影響基準(zhǔn)電壓源的LTD。一些示例包括封裝尺寸、模塑料、PCB 應(yīng)力以及溫度和濕度等外部環(huán)境因素引起的封裝應(yīng)力。使用此數(shù)據(jù)，LTD（ppm）可以使用以下函數(shù)進(jìn)行實(shí)際建模：

LTD（ppm） = f（V輸出（t0）、封裝應(yīng)力、PCB設(shè)計(jì)、PCB組裝質(zhì)量、化合物穩(wěn)定時(shí)間、溫度、濕度）

包裝壓力和一雙鞋

一雙鞋可以作為解釋包裝壓力的適當(dāng)類(lèi)比。當(dāng)鞋子舒適時(shí)，它們很可能是適合腳的尺寸。但是，如果鞋子太小，它們最初可能看起來(lái)很合腳，但它們可能不會(huì)太舒服，隨著時(shí)間的推移，它們肯定會(huì)引起疼痛。半導(dǎo)體封裝也發(fā)生了類(lèi)似的事情。當(dāng)芯片塞入不適合芯片尺寸的封裝中時(shí)，會(huì)產(chǎn)生封裝應(yīng)力，這種做法會(huì)隨著時(shí)間的推移影響器件的性能。

圖1和圖2顯示了兩個(gè)內(nèi)核相同但不同（SOT-23和陶瓷）封裝的器件的LTD圖。

圖1.SOT-23封裝的有限公司圖。

圖2.陶瓷封裝有限公司圖。

減少 PCB 設(shè)計(jì)中的應(yīng)力

一些 PCB 設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì) LTD 板時(shí)，在每個(gè)站點(diǎn)使用三面或四面 PCB 切口“開(kāi)槽”技術(shù)來(lái)減輕焊點(diǎn)應(yīng)力。插入印刷電路板是有益的，因?yàn)樗梢詫⒈粶y(cè)器件（DUT）與周?chē)娐窡岣綦x，這有助于減少熱電偶效應(yīng)并提高精度。在基準(zhǔn)電壓源的三個(gè)側(cè)面切開(kāi)印刷電路板的卡舌可以減少DUT上的焊點(diǎn)應(yīng)力。當(dāng)然，重要的是要確保不同站點(diǎn)和電路板的測(cè)量結(jié)果保持一致。

在連接 DUT 之前，將 PCB 烘烤經(jīng)過(guò)幾個(gè)溫度循環(huán)是另一種降低 PCB 應(yīng)力的方法。然后，在電路板上電之前，焊接DUT的PCB經(jīng)歷一個(gè)溫度循環(huán)。這個(gè)過(guò)程減輕了經(jīng)過(guò)回流焊組裝的 PCB 的壓力.溫度循環(huán)發(fā)生在PCB回流后的短時(shí)間內(nèi)。

臺(tái)架測(cè)試設(shè)置注意事項(xiàng)

開(kāi)發(fā)了一種全自動(dòng)的多站點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室設(shè)置，用于表征樣本量上基準(zhǔn)電壓源的LTD，以滿(mǎn)足高斯分析的統(tǒng)計(jì)要求。臺(tái)式設(shè)備通過(guò)使用板載電路來(lái)上電、配置和測(cè)量 V 進(jìn)行多路復(fù)用外來(lái)自不同的 DUT 站點(diǎn)，一次一個(gè)。

通過(guò)相應(yīng)的溫度和濕度傳感器提供環(huán)境條件、溫度和相對(duì)濕度的腔室增加了設(shè)置監(jiān)控功能。自動(dòng)化可確保設(shè)置配置和可靠測(cè)量的一致性，并減少后處理和數(shù)據(jù)記錄中的人為錯(cuò)誤。引腳和封裝兼容的變體可以使用相同的設(shè)置進(jìn)行測(cè)試。該設(shè)置由不間斷電源 （UPS） 提供支持，以避免在電源故障時(shí)復(fù)位 DUT。

收集的數(shù)據(jù)包括電壓輸出測(cè)量值，隨后對(duì)其進(jìn)行后處理，以提供每個(gè)測(cè)試器件的LTD測(cè)量值。電壓基準(zhǔn)LTD的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是1000小時(shí)。自動(dòng)化已經(jīng)創(chuàng)造了一種超越該基準(zhǔn)的能力，通過(guò)監(jiān)控和收集長(zhǎng)達(dá) 10，000 小時(shí)的數(shù)據(jù)（圖 6）。LTD數(shù)據(jù)取自Maxim的幾條常用基準(zhǔn)電壓源和競(jìng)爭(zhēng)進(jìn)行比較。

圖6.MAX6070 LTD超過(guò)10，000小時(shí)。

回流焊組件

PCB組裝通常在工業(yè)中通過(guò)回流焊完成.在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用了相同的方法。這可確保所有必需的組件都經(jīng)過(guò)相同的指定溫度曲線，從而最大限度地減少因手工焊接和由于手動(dòng)焊接而導(dǎo)致的長(zhǎng)時(shí)間高溫暴露而導(dǎo)致的錯(cuò)誤。

封裝化合物沉降

半導(dǎo)體器件封裝在由環(huán)氧樹(shù)脂、催化劑、固化劑和脫模劑組成的塑料模塑料制成的封裝中。為了獲得最佳的器件性能和耐用性，謹(jǐn)慎的做法是評(píng)估不同的化合物特性（如玻璃溫度轉(zhuǎn)變、彎曲或彎曲強(qiáng)度、吸濕性和附著力）以選擇合適的材料。

玻璃溫度轉(zhuǎn)變是化合物的粘度、熱膨脹和熱容表現(xiàn)出相對(duì)突然變化的溫度點(diǎn)。具有高彎曲強(qiáng)度的模塑料施加更大的應(yīng)力，不適用于小型或薄型封裝。由于基準(zhǔn)電壓LTD受相對(duì)濕度影響很大（本應(yīng)用筆記稍后將討論），因此吸濕率是需要考慮的關(guān)鍵化合物特性之一。

采用SOT-23塑料封裝的MAX6025AEUR+（圖7）采用LTD設(shè)置進(jìn)行測(cè)試。數(shù)據(jù)顯示，包裝化合物在最初的 200 到 300 小時(shí)內(nèi)沉降。

圖7.包裝化合物在前 200-300 小時(shí)內(nèi)沉淀。

溫度

以下溫度相關(guān)參數(shù)會(huì)影響基準(zhǔn)電壓源的LTD性能：

溫度系數(shù)（溫度系數(shù)）

熱滯后

天普科

溫度系數(shù)是相對(duì)于溫度變化的最大電壓輸出漂移。它通過(guò)“盒子”法測(cè)量，即最大ΔV外/ V外除以最大 ΔT（圖 8）。

圖8.典型的溫度圖。

熱滯后

熱遲滯是器件在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)循環(huán)前后TA = +25°C時(shí)輸出電壓的變化。遲滯是由施加到器件上的機(jī)械應(yīng)力產(chǎn)生的，基于器件之前處于較高還是較低的溫度（圖 9）。

圖9.典型熱滯后圖。

相對(duì)濕度

影響LTD的最不為人所知的因素是相對(duì)濕度，它隨溫度和氣壓而變化。相對(duì)濕度是空氣中存在的水蒸氣量，表示為相同溫度下飽和所需量的百分比。雖然半導(dǎo)體封裝提供電絕緣，但它不是氣密密封的，大氣氣體可以通過(guò)多孔塑料模具和引線框架的開(kāi)口擴(kuò)散。組裝后的模具含有擴(kuò)散空氣，水分子可以緩慢擴(kuò)散。雖然這種影響在瞬時(shí)測(cè)試中并不明顯，但對(duì)于相對(duì)測(cè)量（如LTD）來(lái)說(shuō)，這種影響在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)是突出的。

我們的實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)顯示，采用SC70-3塑料封裝的MAX6138AEXR25的相對(duì)濕度從40%變?yōu)?5%，LTD測(cè)量值發(fā)生了顯著變化（圖10）。這種情況描繪了由于相對(duì)濕度的變化，LTD呈成反比的變化。MAX6138EXR25基本上就像一個(gè)濕度跟蹤器。MAX6279與MAX6138是相同的器件內(nèi)核，但采用陶瓷測(cè)試封裝，當(dāng)相對(duì)濕度變化相同時(shí)，漂移保持在35ppm左右。LTD沒(méi)有太大變化（圖11）。這清楚地表明，陶瓷由于其無(wú)孔材料，對(duì)水分的影響具有良好的免疫力。

圖 10.MAX6138AEXR25（SC70-3塑料封裝）;LTD關(guān)于相對(duì)濕度。

圖 11.MAX6279陶瓷測(cè)試芯片有限公司相對(duì)濕度。

結(jié)論

傳統(tǒng)上，半導(dǎo)體制造商僅顯示其基準(zhǔn)電壓源的1000小時(shí)LTD數(shù)據(jù)，這對(duì)于運(yùn)行多年的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是最低限度的。雖然被忽視，但LTD是使用壽命為15至20年的工業(yè)系統(tǒng)最重要的規(guī)范之一。為了更好地了解Maxim的基準(zhǔn)電壓源性能，對(duì)Maxim常用的SOT-23（6引腳塑料）和陶瓷封裝的基準(zhǔn)電壓源進(jìn)行了10，000小時(shí)的測(cè)試。由于LTD性能還取決于外部因素，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員除了關(guān)注適合其應(yīng)用的正確器件/封裝選擇外，還應(yīng)注意設(shè)置設(shè)計(jì)、控制和校準(zhǔn)選項(xiàng)。

審核編輯：郭婷