電子元件的電氣特性可能會因外力或環(huán)境應(yīng)力的影響而波動。通常，各種電子元件通過焊接安裝在電子設(shè)備的電路基板上。盡管焊接提供了牢固的機械連接，但隨著環(huán)境溫度的波動，每個零件中使用的材料的膨脹系數(shù)不同，因此應(yīng)力會慢慢施加到零件上，從而影響其性能。

本文以電壓基準(zhǔn)為例，結(jié)合 ADI 應(yīng)用筆記 (AN82) 的研究成果，深入探討基板應(yīng)力對電氣性能的影響及其改進方法。

關(guān)于電壓參考

模數(shù)轉(zhuǎn)換器電壓基準(zhǔn)

基準(zhǔn)電壓源通常用于模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器。對于 A/D 轉(zhuǎn)換器，電壓基準(zhǔn)的值決定了用作將輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的基準(zhǔn)電壓。因此，基準(zhǔn)電壓的精度非常重要，其精度對模數(shù)轉(zhuǎn)換的精度有很大影響。

電壓基準(zhǔn)為輸入信號提供穩(wěn)定的參考值。下圖 (圖1) 顯示了使用 LTC1286 A/D 轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用電路。LT1634 用作外部電壓基準(zhǔn)，為 A/D 轉(zhuǎn)換提供高精度參考電壓。

圖1 典型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路示例

穩(wěn)壓器電壓基準(zhǔn)

除了 A/D 轉(zhuǎn)換器之外，以下還將介紹使用電壓基準(zhǔn)來構(gòu)建電路的產(chǎn)品示例。下圖 (圖2) 為 LTM4658 降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器的框圖。在降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器 LTM4658 中，內(nèi)置誤差放大器的紅色圓圈顯示 0.5V，但這是內(nèi)部參考電壓。用該電壓與輸出電壓進行比較，以調(diào)節(jié)穩(wěn)壓器的輸出。由此可見，電壓基準(zhǔn)的精度對電路性能至關(guān)重要。

圖2 LTM4658 框圖

應(yīng)力對電氣性能的影響

關(guān)于 Stress

應(yīng)力是用于描述物體內(nèi)部產(chǎn)生的力的大小的物理量。當(dāng)溫度或外力發(fā)生變化時，就會產(chǎn)生應(yīng)力。當(dāng)溫度升高時，物質(zhì)膨脹，當(dāng)溫度降低時，物質(zhì)收縮，但由于膨脹系數(shù)因材料而異，因此也會產(chǎn)生應(yīng)力。例如，塑料和玻璃材料在 80℃ 高溫下膨脹顯著，而金屬膨脹較小。由于安裝在基板上的元件具有塑料和金屬部件，因此由于膨脹率的差異會產(chǎn)生應(yīng)力，從而影響電氣性能。

基板因溫度變化而變形也會產(chǎn)生應(yīng)力，從而影響元器件的輸出穩(wěn)定性。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，由于基板和器件中使用的材料的膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生應(yīng)力，而由于基板本身的變形而產(chǎn)生應(yīng)力。在下一個實驗中，我們將檢查由于電路板上的應(yīng)力而導(dǎo)致的參考電壓變化。

基板應(yīng)力實驗分析

為了驗證基板應(yīng)力對電壓基準(zhǔn)的影響，實驗采用如下方法：

實驗設(shè)置

將設(shè)備 (LT1460CS8-2.5) 安裝在 7 英寸 × 9 英寸矩形板的中心，如下圖 (圖3) 所示。如步驟 (1) 到 (4) 所示，將電路板偏轉(zhuǎn)每英寸 18mils。通過在對電路板施加彎曲力的同時監(jiān)測基準(zhǔn)的輸出電壓，可以觀察到基板應(yīng)力的影響變化。

在本次實驗中，我們還準(zhǔn)備了一個帶和不帶凹槽的基板，尺寸約為 1/2 英寸 x 1/2 英寸并進行實驗。

圖3 檢查基準(zhǔn)電壓因應(yīng)力引起的特性的方法

實驗結(jié)果

下圖 (圖4) 顯示了在 8 次屈曲周期內(nèi)測得的參考電壓的結(jié)果。輸出電壓變化是使用具有峰值±計數(shù)的 4ppm (10μV) 儀器測量的。

上述測量的結(jié)果是原始電路板沒有凹槽，顯示峰值偏移約為 60ppm。下面的測量結(jié)果是使用一塊帶槽的電路板，其濃度保持在 4ppm 左右。通過將凹槽插入基板中，發(fā)現(xiàn)降低應(yīng)力的輸出電壓偏移提高了 10 倍。

圖4 參考電壓測量結(jié)果

總結(jié)

實驗表明，基板應(yīng)力會顯著影響電壓基準(zhǔn)等高精度器件的電氣特性，電氣特性會受到封裝、基板尺寸、溫度條件等差異的影響。通過優(yōu)化基板結(jié)構(gòu) (如添加凹槽)，可有效降低應(yīng)力帶來的性能波動。

對于需要高精度輸出的電路，如 A/D 轉(zhuǎn)換器、電壓穩(wěn)壓器等，應(yīng)特別關(guān)注應(yīng)力對電氣特性的潛在影響。