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基板应力对电气性能的影响

骏龙电子 来源:骏龙电子 2025-01-16 16:45 次阅读

电子元件的电气特性可能会因外力或环境应力的影响而波动。通常,各种电子元件通过焊接安装在电子设备的电路基板上。尽管焊接提供了牢固的机械连接,但随着环境温度的波动,每个零件中使用的材料的膨胀系数不同,因此应力会慢慢施加到零件上,从而影响其性能。

本文以电压基准为例,结合 ADI 应用笔记 (AN82) 的研究成果,深入探讨基板应力对电气性能的影响及其改进方法。

关于电压参考

模数转换器电压基准

基准电压源通常用于模数转换器数模转换器。对于 A/D 转换器,电压基准的值决定了用作将输入信号转换为数字信号的基准电压。因此,基准电压的精度非常重要,其精度对模数转换的精度有很大影响。

电压基准为输入信号提供稳定的参考值。下图 (图1) 显示了使用 LTC1286 A/D 转换器的典型应用电路。LT1634 用作外部电压基准,为 A/D 转换提供高精度参考电压。

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图1 典型的模数转换器电路示例

稳压器电压基准

除了 A/D 转换器之外,以下还将介绍使用电压基准来构建电路的产品示例。下图 (图2) 为 LTM4658 降压型开关稳压器的框图。在降压型开关稳压器 LTM4658 中,内置误差放大器的红色圆圈显示 0.5V,但这是内部参考电压。用该电压与输出电压进行比较,以调节稳压器的输出。由此可见,电压基准的精度对电路性能至关重要。

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图2 LTM4658 框图

应力对电气性能的影响

关于 Stress

应力是用于描述物体内部产生的力的大小的物理量。当温度或外力发生变化时,就会产生应力。当温度升高时,物质膨胀,当温度降低时,物质收缩,但由于膨胀系数因材料而异,因此也会产生应力。例如,塑料和玻璃材料在 80℃ 高温下膨胀显著,而金属膨胀较小。由于安装在基板上的元件具有塑料和金属部件,因此由于膨胀率的差异会产生应力,从而影响电气性能。

基板因温度变化而变形也会产生应力,从而影响元器件的输出稳定性。当温度发生变化时,由于基板和器件中使用的材料的膨胀系数不同而产生应力,而由于基板本身的变形而产生应力。在下一个实验中,我们将检查由于电路板上的应力而导致的参考电压变化。

基板应力实验分析

为了验证基板应力对电压基准的影响,实验采用如下方法:

实验设置

将设备 (LT1460CS8-2.5) 安装在 7 英寸 × 9 英寸矩形板的中心,如下图 (图3) 所示。如步骤 (1) 到 (4) 所示,将电路板偏转每英寸 18mils。通过在对电路板施加弯曲力的同时监测基准的输出电压,可以观察到基板应力的影响变化。

在本次实验中,我们还准备了一个带和不带凹槽的基板,尺寸约为 1/2 英寸 x 1/2 英寸并进行实验。

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图3 检查基准电压因应力引起的特性的方法

实验结果

下图 (图4) 显示了在 8 次屈曲周期内测得的参考电压的结果。输出电压变化是使用具有峰值±计数的 4ppm (10μV) 仪器测量的。

上述测量的结果是原始电路板没有凹槽,显示峰值偏移约为 60ppm。下面的测量结果是使用一块带槽的电路板,其浓度保持在 4ppm 左右。通过将凹槽插入基板中,发现降低应力的输出电压偏移提高了 10 倍。

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图4 参考电压测量结果

总结

实验表明,基板应力会显著影响电压基准等高精度器件的电气特性,电气特性会受到封装、基板尺寸、温度条件等差异的影响。通过优化基板结构 (如添加凹槽),可有效降低应力带来的性能波动。

对于需要高精度输出的电路,如 A/D 转换器、电压稳压器等,应特别关注应力对电气特性的潜在影响。

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原文标题:基板应力对电气性能的影响

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