數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中微型溫度控制電路的研制

毛國華，楊三成，張馨少

（陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西 西安710065）

微型溫度控制電路主要用于綜合數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，該電路的溫控精度、溫控范圍、溫控功率的高低直接影響到整個數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的性能。針對用戶對微型溫度控制電路的迫切需求，運用陜西華經(jīng)微電子股份有限公司的技術(shù)條件和工藝條件，對其開展研制工作。

1 產(chǎn)品的技術(shù)指標

1．1 電特性

該產(chǎn)品使用條件：－55℃≤TA≤＋125℃（另有規(guī)定除外），規(guī)定的電特性見表1。

表1 主要電特性

1．2 外形結(jié)構(gòu)

外形尺寸見圖1。

圖1 外形尺寸

2 設計方案

產(chǎn)品在設計過程中與用戶進行了充分的溝通，在全面滿足用戶提出性能指標的前提下，產(chǎn)品的可靠性，優(yōu)良的抗振能力、必要的降額設計及良好的熱設計思想貫穿于整個設計中，集中保證了產(chǎn)品的高可靠性。

2．1 電路設計及工作原理

微型溫度控制電路內(nèi)集成有負溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt和功率三極管，根據(jù)熱敏電阻在不同的溫度下阻值不同，通過控制發(fā)熱功率達到恒溫的目的。具體線路見圖2。

電阻R1－1與R4分壓作為基準電壓，Rt與R2分壓作為比較電壓。通電后，因為低溫下熱敏電阻阻值大，比較電壓低于基準電壓，V4導通加熱。

當溫度達到控制要求時，比較電壓與基準電壓基本相同，達到熱平衡。此時，V4微導通，加熱功率與外殼散熱功率相同，形成恒定溫度。

調(diào)節(jié)外接電阻，可以改變基準電壓，根據(jù)需要設定不同的恒定溫度。

調(diào)節(jié)外接限流電阻（與R9并聯(lián)），可以調(diào)節(jié)發(fā)熱功率，設定不同的加熱速率。

圖2 電路原理圖

2．2 結(jié)構(gòu)設計和可靠性設計

產(chǎn)品采用引線鍍金、玻璃絕緣子隔離、厚度為1．5 mm的可伐鋼材料銑成的平行封焊外殼；內(nèi)部基片通過再流焊焊接到外殼上，使之與外殼成為一體，外殼使用平行封焊結(jié)構(gòu)，并在底部設有安裝固定孔，提高了產(chǎn)品的抗振性能；元器件采取必要的降額設計并在其進廠后進行嚴格的工藝篩選，功率表貼元件采用再流焊工藝，非功率元件采用貼片膠固定、導電膠粘接。

由于本產(chǎn)品為溫度控制電路，產(chǎn)品自身發(fā)熱產(chǎn)生的溫度是主要的控制指標。因此，設計中把發(fā)熱的功率器件再流焊到基片上，又將基片再流焊到外殼上，外殼采用可伐鋼材料，使熱量能迅速從內(nèi)部傳導到外部，內(nèi)外溫度迅速平衡，提高了產(chǎn)品的靈敏度，同時也使產(chǎn)品正常工作時其內(nèi)部元件有一個合理的熱應力環(huán)境，提高產(chǎn)品的可靠性設計。

根據(jù)可靠性預計理論計算，該產(chǎn)品平均故障間隔時間為1．16×105h。

2．3 方案的先進性及實施的可行性

該方案在技術(shù)上符合客戶要求，指標上達到同類元器件先進水平。通過大量試驗和理論計算選擇的元器件和實施方案，不僅得到了用戶的確認，同時通過了專家組的評審。

該方案工藝上采用厚膜電路，在軍標線上生產(chǎn)，該生產(chǎn)線已經(jīng)通過QML認證，質(zhì)量嚴格按《混合集成電路通用規(guī)范》和《質(zhì)量保證大綱》要求進行控制。

3 技術(shù)難點、解決措施和關鍵工藝技術(shù)

3．1 技術(shù)難點及解決措施

3．1．1 電路模式與關鍵器件的選定

本產(chǎn)品為溫度控制電路，通過調(diào)節(jié)三極管的功耗發(fā)熱來控制溫度，所以電路模式圍繞如何實現(xiàn)調(diào)節(jié)三極管功耗來展開，最終確定了電路模式；選定了負溫度系數(shù)熱敏電阻、PNP三極管、LM158等關鍵器件。

電阻：電阻采用厚膜印刷電阻，這樣，即使在相對苛刻的環(huán)境下，電阻也能安全可靠地工作，確保不會失效。近年來，厚膜印刷電阻取得了長足的進步，其中軍用電阻網(wǎng)絡已在用戶中取得了良好的信譽，其在125℃下，額定功率時工作6 000 h，無失效。因此，厚膜電阻的高可靠性是完全可以信賴的。

基片方面：電路承載基片選用AL2O3陶瓷基片。AL2O3陶瓷基片有一定的熱傳導能力，由于該電路的自身耗散功率不大，陶瓷基片的材質(zhì)和面積足以將電路自身所產(chǎn)生熱量從容擴散出去，大大減小了由于熱效應對產(chǎn)品產(chǎn)生的老化作用，從而延長產(chǎn)品的使用壽命，提高了可靠性。

3．1．2 功率三極管低溫工作不穩(wěn)定的問題

在產(chǎn)品測試過程中，發(fā)現(xiàn)輸入電流在產(chǎn)品達到溫度平衡的臨界狀態(tài)時，輸入電流按原理應該是逐漸降低的，但是出現(xiàn)了電流先增大后降低的現(xiàn)象，經(jīng)分析是由于PNP三極管在臨界工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，產(chǎn)生振蕩引起的，通過理論分析和實驗驗證，在三極管基極加吸收網(wǎng)絡解決了這一問題。

3．1．3 關于控制精度的問題

在產(chǎn)品測試過程中，控制精度不能達到要求，后經(jīng)過理論計算，采取兩個措施解決了這一問題：一是從三極管發(fā)射極到運放的反相輸入端外接一反饋電阻；二是將基片的粘接方式改為再流焊，使其熱量能迅速傳導，讓整個產(chǎn)品達到同一溫度，減少測量時的誤差。

3．2 關鍵工藝技術(shù)

導帶印刷和金絲壓焊為關鍵工藝。由于產(chǎn)品基片小，上面印刷的導帶較多且密，又要印刷不同的層，如何防止導帶之間短路，就成為關鍵工藝。在平面化布圖中采取了以下措施保證了印刷的成功率：第一，布線時導帶之間的間距大于工藝水平所能達到的安全間距；第二，布線時盡量避免交叉減少介質(zhì)的布圖，在必須布介質(zhì)的地方，要將介質(zhì)盡量布大，多印刷幾次；第三，金導體和鈀銀導體的搭接部位要大、寬，防止錯位搭接不好。本產(chǎn)品采用的是裸芯片組裝工藝，金絲在電路中的作用就是導帶，所以金絲壓焊也為關鍵工藝。在壓焊中根據(jù)電路性能，計算出各個金絲承受的電流，分別壓焊不同粗細的金絲，金絲的鍵合強度要符合GJB548A方法2011A條件D的規(guī)定。

3．3 安全性設計

產(chǎn)品工作在安全電壓范圍內(nèi)，不存在導致人身損害的問題。在負載電流階躍變化時，輸出不存在高的電壓跳變，不會對負載設備造成影響。

3．4 元器件選用

所采用的元器件、原材料為成熟產(chǎn)品和通用產(chǎn)品，均滿足軍品質(zhì)量要求，國產(chǎn)元器件、原材料供應單位均為軍工合格供應方，進口元器件、原材料有可靠穩(wěn)定的進貨渠道。

4 新品特點

（1）產(chǎn)品體積小，可以為較小的精密器件提供恒溫環(huán)境；

（2）可以通過外接電阻設置出寬范圍恒溫值；

（3）可通過外接電阻調(diào)節(jié)產(chǎn)品的加熱功率，設置不同的加熱速率；

（4）TO－220金屬屏蔽封裝，整機使用方便。

5 結(jié)束語

該產(chǎn)品體積小，可以為較小的精密器件提供一個可調(diào)的恒溫環(huán)境，控制溫度范圍寬，控制精度高，通過外接電阻可以設定寬范圍內(nèi)的不同溫度并且可以調(diào)節(jié)加熱功率。該產(chǎn)品適合批量生產(chǎn)，用戶試用情況良好，具有良好的經(jīng)濟效益。

［1］ 方佩敏，張國華．最新集成電路應用指南．電子工業(yè)出版社，2009．

［2］ 王錫吉．電子設備可靠性工程［M］．西安：陜西科學技術(shù)出版社，1992．

［3］ 童詩白，華成英．模擬電子技術(shù)基礎（第四版）［M］．北京：高等教育出版社，2006．

［4］ 謝沅清．模擬集成電路應用［M］．北京：人民郵電出版社，1984．