一種微型傳感信號諧振電路的研制

曹 艷

（陜西華經(jīng)微電子股份有限公司，陜西 西安 710065）

0 引 言

厚膜混合集成微型傳感信號諧振電路的研制成功，能夠使高精度小型化振動筒壓力傳感器所用諧振電路部分能夠系列化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化，不僅能滿足現(xiàn)有幾十種已有大氣數(shù)據(jù)計算機(jī)的量程的振動筒壓力傳感器的應(yīng)用要求，還可廣泛應(yīng)用于各種新型飛機(jī)的大氣數(shù)據(jù)傳感器及使用環(huán)境相似的傳感器，同時可以用于航天某型號導(dǎo)彈用振動筒壓力傳感器，并在商用支線飛機(jī)等民用航空FADEC（全權(quán)數(shù)字式發(fā)動機(jī)電子控制）系統(tǒng)、壓力檢測設(shè)備上具有廣泛的推廣和應(yīng)用前景。

1 產(chǎn)品描述和分析

1.1 主要技術(shù)指標(biāo)

產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 產(chǎn)品的主要技術(shù)指標(biāo)

1.2 產(chǎn)品外形尺寸

產(chǎn)品外形尺寸見圖1。

1.3 產(chǎn)品設(shè)計原理

根據(jù)以上的設(shè)計條件，確立了混合傳感放大器的研制方案。整個電路由3部分組成，分別為選頻放大電路、限幅放大電路和方波產(chǎn)生電路。

選頻放大電路。給電路輸入一個微小的正弦波信號，經(jīng)RC電路進(jìn)行濾波，通過運(yùn)算放大器及外圍電路構(gòu)成的T型選頻網(wǎng)絡(luò)，對正弦輸入信號進(jìn)行選頻放大，得到要求的正弦波信號輸出到下一級。

限幅放大電路。另一路輸入信號從產(chǎn)品11腳輸入，經(jīng)過放大后通過運(yùn)算放大器和二極管組成的限幅電路進(jìn)行限幅獲得準(zhǔn)方波，再經(jīng)三極管進(jìn)行放大處理，在電路輸出端6腳獲得驅(qū)動線圈所需的電壓。

方波產(chǎn)生電路。從11腳輸入的信號，經(jīng)過運(yùn)算放大電路進(jìn)行限幅放大，而對另一路輸入信號進(jìn)行選頻放大、濾波，再通過精密電壓比較器獲得同頻率的方波信號，以滿足電路輸出方波頻率范圍在7～35 kHz的要求。

1.4 產(chǎn)品特點(diǎn)

（1）產(chǎn)品工作溫度范圍寬、精度高、性能穩(wěn)定以及可靠性高；

（2）溫度電壓放大電路和諧振電路部分分開獨(dú)立設(shè)計，減小了兩者之間的相互干擾，使輸出更加準(zhǔn)確、穩(wěn)定；

圖1 產(chǎn)品外形尺寸

（3）雙列直插，全金屬密封封裝結(jié)構(gòu)，減少了外界的電磁干擾，提高了傳感器的整體精度，且可插拔性能好、散熱好、耐濕以及防鹽霧；

（4）整體設(shè)計方案的電路簡潔、工藝選擇合理，封裝結(jié)構(gòu)可靠，保證了產(chǎn)品的性能穩(wěn)定、可靠性高等特點(diǎn)；

（5）體積?。ㄩL×寬×高≤21 mm×18.5 mm×5.5 mm），重量輕，使用方便。

2 研制過程中主要解決的關(guān)鍵工藝技術(shù)

這種微型傳感諧振電路的研制過程中主要解決的關(guān)鍵工藝技術(shù)問題，是產(chǎn)品的封裝工藝和厚膜混合集成工藝。

2.1 金屬封裝工藝

產(chǎn)品采用14腳的雙列直插式排列方式、平行縫焊封裝工藝以及全金屬封裝結(jié)構(gòu)的外殼?，F(xiàn)有的平行封焊夾具更適合對體積較大的產(chǎn)品進(jìn)行封裝。由于該產(chǎn)品體積較小，在封裝過程中產(chǎn)品的一個方向容易翹起，導(dǎo)致產(chǎn)品需要進(jìn)行二次封裝，且密封和水汽均無法滿足要求。為此，設(shè)計了高精度的專用封裝夾具，既便于操作，又滿足了產(chǎn)品密封和水汽的要求，而且具有良好的電磁屏蔽效果，更有利于產(chǎn)品的批產(chǎn)化。

2.2 厚膜混合集成工藝

產(chǎn)品采用厚膜混合集成工藝。典型厚膜混合集成電路是以96%的AL2O3陶瓷基片作為線路的基板[1]。電容采用再流焊工藝，裸芯片粘接后進(jìn)行金絲壓焊，有效縮小了產(chǎn)品體積。由于產(chǎn)品的體積小、印刷導(dǎo)體線條密集、導(dǎo)帶細(xì)、線間距小，因此增加了印刷難度。為了防止印刷時不同層間的錯位，專門設(shè)計了幾個印刷定位點(diǎn)，避免了用肉眼觀察導(dǎo)體間相對位置造成的誤差，保證了印刷時導(dǎo)體位置的準(zhǔn)確性和不同層間導(dǎo)體銜接的良好性，減小了誤差，同時提高了產(chǎn)品的可靠性。

3 產(chǎn)品工藝概況

電路采用厚膜混合集成電路集成工藝，電阻連同導(dǎo)帶用平面厚膜印刷、燒結(jié)，激光調(diào)阻，保證電阻阻值的精度、穩(wěn)定性和一致性?；砻娣呛竻^(qū)部分采用表面鈍化保護(hù)；集成塊采用裸芯片粘接后金絲壓焊，電容采用再流焊技術(shù)，可靠性更高；封裝結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)殼體，全金屬密封，引線鍍金，表面鍍鎳，適于抗耐濕、防鹽霧要求，同時保證屏蔽性，防止外界干擾影響產(chǎn)品精度與穩(wěn)定性。

按照單位的通用工藝要求和產(chǎn)品的組裝特點(diǎn)，設(shè)計產(chǎn)品的工藝工序為“PROTELL布圖→制版→印刷→烘干→燒結(jié)→激光調(diào)阻→表面裝配→測試→封裝→篩選”。其中，關(guān)鍵工序包括厚膜印刷和金絲球焊。厚膜印刷要求操作人員嚴(yán)格按照產(chǎn)品圖紙及相關(guān)工藝文件進(jìn)行操作，需要產(chǎn)品圖形（包括導(dǎo)體、電阻、介質(zhì)、玻璃等）清晰、完整、無毛刺、漏瓷、污染、劃傷、手印、錯位、表面起毛以及表面發(fā)花等現(xiàn)象。焊接在混合集成電路中占有十分重要的地位，利用金絲球焊可增加焊點(diǎn)的強(qiáng)度，降低焊接的失效機(jī)率。實踐證明，利用金絲球焊技術(shù)可以得到高可靠的混合集成電路。

產(chǎn)品制造過程中，嚴(yán)格按照質(zhì)量保證大綱和各工序質(zhì)量控制要求進(jìn)行生產(chǎn)，各批次產(chǎn)品均達(dá)到了指標(biāo)要求，送用戶、檢測機(jī)構(gòu)測試均合格。

4 產(chǎn)品可靠性情況

4.1 實施依據(jù)

GJB450A—2004《裝備可靠性工作通用要求》和GJB2438—2002《混合集成電路通用規(guī)范》。

4.2 可靠性分配與設(shè)計

4.2.1 可靠性預(yù)計

可靠性設(shè)計貫穿整個產(chǎn)品設(shè)計的始終。在線路設(shè)計方面、元器件選用方面進(jìn)行綜合考慮，簡化線路，減少了元器件數(shù)量，并綜合考慮了元器件性能的余量設(shè)計。根據(jù)GJB/Z299C—2006《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》的相關(guān)規(guī)定，對產(chǎn)品的可靠性進(jìn)行了理論計算和預(yù)計。

根據(jù)電路包含的電子元器件及膜電阻（集成電路5只、膜電阻26只、片電容13只、三極管7只、二極管1只）予以計算分析（其中N表示元器件個數(shù)），得到產(chǎn)品平均故障間隔時間為10.11萬小時，產(chǎn)品的質(zhì)量等級滿足協(xié)議要求。

4.2.2 可靠性設(shè)計

對這種微型傳感信號諧振電路的可靠性設(shè)計主要包括以下幾個方面[2]：

（1）電路設(shè)計選用電路簡潔、已成熟的功能電路；

（2）元器件方面，選用質(zhì)量穩(wěn)定、工作溫度范圍寬的元器件；

（3）熱設(shè)計方面，產(chǎn)品本身無大電流，自殼體散熱；

（4）元器件及殼體采用阻燃材料保證產(chǎn)品安全。

5 存在的主要問題及努力方向

在后續(xù)的生產(chǎn)過程中，需要加強(qiáng)生產(chǎn)組裝過程中的工藝控制，優(yōu)化篩選工裝夾具，不斷提高產(chǎn)品的合格率，力求為客戶整機(jī)提供更穩(wěn)定、更可靠的產(chǎn)品，按照低功耗、小型化、批產(chǎn)化和高可靠的設(shè)計原則，持續(xù)地滿足客戶在傳感放大器方面不斷提出的需求。

6 結(jié) 論

所述產(chǎn)品在國內(nèi)處于領(lǐng)先地位，可替代美國Weston Aero公司的系列產(chǎn)品，目前主要為飛機(jī)高度、速度以及氣象探測等傳感器系統(tǒng)提供配套電路，有望推廣到精密壓力測量領(lǐng)域，具有廣闊的應(yīng)用前景。