数据链系统中微型温度控制电路的研制

2014-01-01毛国华杨三成张馨少

通信电源技术 2014年5期

关键词：基片三极管温度控制

毛国华，杨三成，张馨少

（陕西华经微电子股份有限公司，陕西西安710065）

微型温度控制电路主要用于综合数据链系统中，该电路的温控精度、温控范围、温控功率的高低直接影响到整个数据链系统的性能。针对用户对微型温度控制电路的迫切需求，运用陕西华经微电子股份有限公司的技术条件和工艺条件，对其开展研制工作。

1 产品的技术指标

1．1 电特性

该产品使用条件：－55℃≤TA≤＋125℃（另有规定除外），规定的电特性见表1。

表1 主要电特性

1．2 外形结构

外形尺寸见图1。

图1 外形尺寸

2 设计方案

产品在设计过程中与用户进行了充分的沟通，在全面满足用户提出性能指标的前提下，产品的可靠性，优良的抗振能力、必要的降额设计及良好的热设计思想贯穿于整个设计中，集中保证了产品的高可靠性。

2．1 电路设计及工作原理

微型温度控制电路内集成有负温度系数的热敏电阻Rt和功率三极管，根据热敏电阻在不同的温度下阻值不同，通过控制发热功率达到恒温的目的。具体线路见图2。

电阻R1－1与R4分压作为基准电压，Rt与R2分压作为比较电压。通电后，因为低温下热敏电阻阻值大，比较电压低于基准电压，V4导通加热。

当温度达到控制要求时，比较电压与基准电压基本相同，达到热平衡。此时，V4微导通，加热功率与外壳散热功率相同，形成恒定温度。

调节外接电阻，可以改变基准电压，根据需要设定不同的恒定温度。

调节外接限流电阻（与R9并联），可以调节发热功率，设定不同的加热速率。

图2 电路原理图

2．2 结构设计和可靠性设计

产品采用引线镀金、玻璃绝缘子隔离、厚度为1．5 mm的可伐钢材料铣成的平行封焊外壳；内部基片通过再流焊焊接到外壳上，使之与外壳成为一体，外壳使用平行封焊结构，并在底部设有安装固定孔，提高了产品的抗振性能；元器件采取必要的降额设计并在其进厂后进行严格的工艺筛选，功率表贴元件采用再流焊工艺，非功率元件采用贴片胶固定、导电胶粘接。

由于本产品为温度控制电路，产品自身发热产生的温度是主要的控制指标。因此，设计中把发热的功率器件再流焊到基片上，又将基片再流焊到外壳上，外壳采用可伐钢材料，使热量能迅速从内部传导到外部，内外温度迅速平衡，提高了产品的灵敏度，同时也使产品正常工作时其内部元件有一个合理的热应力环境，提高产品的可靠性设计。

根据可靠性预计理论计算，该产品平均故障间隔时间为1．16×105h。

2．3 方案的先进性及实施的可行性

该方案在技术上符合客户要求，指标上达到同类元器件先进水平。通过大量试验和理论计算选择的元器件和实施方案，不仅得到了用户的确认，同时通过了专家组的评审。

该方案工艺上采用厚膜电路，在军标线上生产，该生产线已经通过QML认证，质量严格按《混合集成电路通用规范》和《质量保证大纲》要求进行控制。

3 技术难点、解决措施和关键工艺技术

3．1 技术难点及解决措施

3．1．1 电路模式与关键器件的选定

本产品为温度控制电路，通过调节三极管的功耗发热来控制温度，所以电路模式围绕如何实现调节三极管功耗来展开，最终确定了电路模式；选定了负温度系数热敏电阻、PNP三极管、LM158等关键器件。

电阻：电阻采用厚膜印刷电阻，这样，即使在相对苛刻的环境下，电阻也能安全可靠地工作，确保不会失效。近年来，厚膜印刷电阻取得了长足的进步，其中军用电阻网络已在用户中取得了良好的信誉，其在125℃下，额定功率时工作6 000 h，无失效。因此，厚膜电阻的高可靠性是完全可以信赖的。

基片方面：电路承载基片选用AL2O3陶瓷基片。AL2O3陶瓷基片有一定的热传导能力，由于该电路的自身耗散功率不大，陶瓷基片的材质和面积足以将电路自身所产生热量从容扩散出去，大大减小了由于热效应对产品产生的老化作用，从而延长产品的使用寿命，提高了可靠性。

3．1．2 功率三极管低温工作不稳定的问题

在产品测试过程中，发现输入电流在产品达到温度平衡的临界状态时，输入电流按原理应该是逐渐降低的，但是出现了电流先增大后降低的现象，经分析是由于PNP三极管在临界工作状态转换时，产生振荡引起的，通过理论分析和实验验证，在三极管基极加吸收网络解决了这一问题。

3．1．3 关于控制精度的问题

在产品测试过程中，控制精度不能达到要求，后经过理论计算，采取两个措施解决了这一问题：一是从三极管发射极到运放的反相输入端外接一反馈电阻；二是将基片的粘接方式改为再流焊，使其热量能迅速传导，让整个产品达到同一温度，减少测量时的误差。

3．2 关键工艺技术

导带印刷和金丝压焊为关键工艺。由于产品基片小，上面印刷的导带较多且密，又要印刷不同的层，如何防止导带之间短路，就成为关键工艺。在平面化布图中采取了以下措施保证了印刷的成功率：第一，布线时导带之间的间距大于工艺水平所能达到的安全间距；第二，布线时尽量避免交叉减少介质的布图，在必须布介质的地方，要将介质尽量布大，多印刷几次；第三，金导体和钯银导体的搭接部位要大、宽，防止错位搭接不好。本产品采用的是裸芯片组装工艺，金丝在电路中的作用就是导带，所以金丝压焊也为关键工艺。在压焊中根据电路性能，计算出各个金丝承受的电流，分别压焊不同粗细的金丝，金丝的键合强度要符合GJB548A方法2011A条件D的规定。