如何解決基準長期漂移性能問題

基準電壓源在驅動混合信號系統中的總系統誤差方面起著重要作用。本應用筆記將探討影響這些基準電壓源長期漂移性能的各種因素。

介紹

在混合信號系統中，基準電壓源設定了精度標準。無論是偏置模數轉換器（ADC）還是數模轉換器（DAC），基準電壓源在驅動總系統誤差方面都起著重要作用。決定基準電壓源整體性能的關鍵內部因素是IC設計架構、設計技術和制造工藝。同樣重要的是噪聲、熱滯后、溫度系數和長期漂移（LTD）等規格。

LTD的測量值是輸出電壓在上電時從給定基準電壓源偏移，然后隨時間推移以選定的間隔移動。數據以百萬分之一為單位繪制。以下是LTD的理論公式：

其中，
V外= 被測器件的電壓輸出 （DUT）
t0= 測量
的第一個小時 tn= LTD 數據收集的第 n 小時，其中 n 可以是基準電壓源上電的小時數

許多因素都會影響基準電壓源的LTD。一些示例包括封裝尺寸、模塑料、PCB 應力以及溫度和濕度等外部環境因素引起的封裝應力。使用此數據，LTD（ppm）可以使用以下函數進行實際建模：

LTD（ppm） = f（V輸出（t0）、封裝應力、PCB設計、PCB組裝質量、化合物穩定時間、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類比。當鞋子舒適時，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很合腳，但它們可能不會太舒服，隨著時間的推移，它們肯定會引起疼痛。半導體封裝也發生了類似的事情。當芯片塞入不適合芯片尺寸的封裝中時，會產生封裝應力，這種做法會隨著時間的推移影響器件的性能。

圖1和圖2顯示了兩個內核相同但不同（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 設計中的應力

一些 PCB 設計人員在設計 LTD 板時，在每個站點使用三面或四面 PCB 切口“開槽”技術來減輕焊點應力。插入印刷電路板是有益的，因為它可以將被測器件（DUT）與周圍電路熱隔離，這有助于減少熱電偶效應并提高精度。在基準電壓源的三個側面切開印刷電路板的卡舌可以減少DUT上的焊點應力。當然，重要的是要確保不同站點和電路板的測量結果保持一致。

在連接 DUT 之前，將 PCB 烘烤經過幾個溫度循環是另一種降低 PCB 應力的方法。然后，在電路板上電之前，焊接DUT的PCB經歷一個溫度循環。這個過程減輕了經過回流焊組裝的 PCB 的壓力.溫度循環發生在PCB回流后的短時間內。

臺架測試設置注意事項

開發了一種全自動的多站點實驗室設置，用于表征樣本量上基準電壓源的LTD，以滿足高斯分析的統計要求。臺式設備通過使用板載電路來上電、配置和測量 V 進行多路復用外來自不同的 DUT 站點，一次一個。

通過相應的溫度和濕度傳感器提供環境條件、溫度和相對濕度的腔室增加了設置監控功能。自動化可確保設置配置和可靠測量的一致性，并減少后處理和數據記錄中的人為錯誤。引腳和封裝兼容的變體可以使用相同的設置進行測試。該設置由不間斷電源 （UPS） 提供支持，以避免在電源故障時復位 DUT。

收集的數據包括電壓輸出測量值，隨后對其進行后處理，以提供每個測試器件的LTD測量值。電壓基準LTD的行業標準是1000小時。自動化已經創造了一種超越該基準的能力，通過監控和收集長達 10，000 小時的數據（圖 6）。LTD數據取自Maxim的幾條常用基準電壓源和競爭進行比較。

圖6.MAX6070 LTD超過10，000小時。

回流焊組件

PCB組裝通常在工業中通過回流焊完成.在實驗中應用了相同的方法。這可確保所有必需的組件都經過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焊接而導致的長時間高溫暴露而導致的錯誤。

封裝化合物沉降

半導體器件封裝在由環氧樹脂、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，謹慎的做法是評估不同的化合物特性（如玻璃溫度轉變、彎曲或彎曲強度、吸濕性和附著力）以選擇合適的材料。

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

采用SOT-23塑料封裝的MAX6025AEUR+（圖7）采用LTD設置進行測試。數據顯示，包裝化合物在最初的 200 到 300 小時內沉降。

圖7.包裝化合物在前 200-300 小時內沉淀。

溫度

以下溫度相關參數會影響基準電壓源的LTD性能：

溫度系數（溫度系數）

熱滯后

天普科

溫度系數是相對于溫度變化的最大電壓輸出漂移。它通過“盒子”法測量，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工作溫度范圍內循環前后TA = +25°C時輸出電壓的變化。遲滯是由施加到器件上的機械應力產生的，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。

相對濕度

影響LTD的最不為人所知的因素是相對濕度，它隨溫度和氣壓而變化。相對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，大氣氣體可以通過多孔塑料模具和引線框架的開口擴散。組裝后的模具含有擴散空氣，水分子可以緩慢擴散。雖然這種影響在瞬時測試中并不明顯，但對于相對測量（如LTD）來說，這種影響在較長時間內是突出的。

我們的實驗室實驗顯示，采用SC70-3塑料封裝的MAX6138AEXR25的相對濕度從40%變為25%，LTD測量值發生了顯著變化（圖10）。這種情況描繪了由于相對濕度的變化，LTD呈成反比的變化。MAX6138EXR25基本上就像一個濕度跟蹤器。MAX6279與MAX6138是相同的器件內核，但采用陶瓷測試封裝，當相對濕度變化相同時，漂移保持在35ppm左右。LTD沒有太大變化（圖11）。這清楚地表明，陶瓷由于其無孔材料，對水分的影響具有良好的免疫力。

圖 10.MAX6138AEXR25（SC70-3塑料封裝）;LTD關于相對濕度。

圖 11.MAX6279陶瓷測試芯片有限公司相對濕度。

結論

傳統上，半導體制造商僅顯示其基準電壓源的1000小時LTD數據，這對于運行多年的系統來說是最低限度的。雖然被忽視，但LTD是使用壽命為15至20年的工業系統最重要的規范之一。為了更好地了解Maxim的基準電壓源性能，對Maxim常用的SOT-23（6引腳塑料）和陶瓷封裝的基準電壓源進行了10，000小時的測試。由于LTD性能還取決于外部因素，因此系統設計人員除了關注適合其應用的正確器件/封裝選擇外，還應注意設置設計、控制和校準選項。

審核編輯：郭婷