姜碩

基于溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

姜碩

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十七研究所，沈陽(yáng)11032）

當(dāng)科技制造水平越來(lái)越高，溫度不僅僅作為一個(gè)反映周圍環(huán)境冷熱程度的數(shù)值，而是更多地參與到了人們的研制和生產(chǎn)中去。在許多設(shè)備、整機(jī)、武裝系統(tǒng)中都需要考慮到溫度這個(gè)參數(shù)，并根據(jù)溫度來(lái)進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算或調(diào)節(jié)，但是溫度參數(shù)在一些情況下是不能直接應(yīng)用的，需要將它轉(zhuǎn)換成其他形式合適的參數(shù)或信號(hào)?；谀痴麢C(jī)系統(tǒng)中專用的高精度溫度轉(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。討論高精度溫度轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)原理和設(shè)計(jì)制造過(guò)程，并對(duì)設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行說(shuō)明。

溫度轉(zhuǎn)換；邏輯控制；多芯片集成；高精度；高可靠性

1 引 言

在當(dāng)前的技術(shù)時(shí)代里，溫度不僅僅作為一個(gè)反映周圍環(huán)境冷熱程度的數(shù)值，而是更多地參與到了人們的研制和生產(chǎn)當(dāng)中。在許多科研生產(chǎn)的實(shí)際應(yīng)用中，溫度參數(shù)需要轉(zhuǎn)換成其他形式的參數(shù)或信號(hào)，這時(shí)就要用溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換電路來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，以下所述電路即為某型號(hào)整機(jī)系統(tǒng)中的一種高精度溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換器[1]。

2 電路原理設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)轉(zhuǎn)換電路的功能,將電路分為三部分：輸入部分、控制部分、輸出部分。邏輯功能框圖見(jiàn)圖1。

（1）輸入部分

輸入部分由溫度傳感器和運(yùn)放組成。溫度傳感器被用來(lái)采集外界溫度變化信號(hào)，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器將信號(hào)放大，放大的信號(hào)作為下一部分的信號(hào)輸入。

圖1 邏輯功能框圖

（2）控制部分

控制部分由D/A變換比較器、比較器、加/減控制器、分頻器、12位可逆計(jì)數(shù)器、地址譯碼控制裝置、控制器7個(gè)部分組成。

（3）輸出部分

由寄存器作為輸出部分。在時(shí)鐘輸入端外加512k的時(shí)鐘信號(hào)，經(jīng)過(guò)分頻器分頻出的信號(hào)，作為12位可逆計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘信號(hào)，每給一個(gè)時(shí)鐘，12位可逆計(jì)數(shù)器就進(jìn)行一次加一（減一）計(jì)數(shù)。由上一部分輸出的信號(hào)作為12位D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器的參考電壓信號(hào)，與計(jì)數(shù)器輸出的12位數(shù)據(jù)相比較，輸出一個(gè)模擬電壓量，當(dāng)這個(gè)模擬電壓的值大于0時(shí)，由比較器輸出一個(gè)高電壓，由加減控制單元給出一個(gè)正向計(jì)數(shù)控制信號(hào)，使計(jì)數(shù)器進(jìn)行加一計(jì)數(shù)；當(dāng)模擬電壓量的值小于0時(shí)，使計(jì)數(shù)器進(jìn)行減一計(jì)數(shù)。寄存器中保存12位可逆計(jì)數(shù)器中的數(shù)據(jù)，并由此作為閉環(huán)循環(huán)，直到計(jì)數(shù)器中數(shù)據(jù)與參考電壓信號(hào)在D/A變換比較器中轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)相同時(shí)，由地址譯碼裝置控制寄存器輸出計(jì)數(shù)器的當(dāng)前數(shù)據(jù)。由此就可以將外界的溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成一組12位的數(shù)值，實(shí)現(xiàn)溫度與數(shù)字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換[2]。

3 電路設(shè)計(jì)

3.1 基板設(shè)計(jì)

電路所用的集成電路類型比較多，若采用單芯片集成的方案，工藝兼容性差，集成電路之間干擾嚴(yán)重，實(shí)施起來(lái)非常困難，因此采用多芯片組裝結(jié)構(gòu)，根據(jù)集成電路的數(shù)量和種類以及相互之間的關(guān)系，考慮各部分之間的干擾情況，來(lái)確定各個(gè)集成電路的位置，然后進(jìn)行布線[3]。

基板主要設(shè)計(jì)規(guī)則：

信號(hào)線寬度：≥0.25mm；

電源線寬度：≥0.3mm；

地線寬度：≥0.3mm；

過(guò)孔直徑：≥0.25；

導(dǎo)線間距：≥0.25mm；

導(dǎo)線與過(guò)孔間距：≥0.25mm；

過(guò)孔與過(guò)孔間距：≥0.25mm；

基板厚度：≤1.5mm；

芯片之間最小距離：＞0.45mm；

焊盤與芯片之間的距離：0.5mm～1mm；

焊盤最小尺寸：0.2mm×0.2mm。

3.2 制作工藝

在一個(gè)多層布線的陶瓷基板上，將所有芯片安裝在表面，芯片（元器件）安裝工藝為導(dǎo)熱膠（絕緣膠和導(dǎo)電膠）粘接工藝，芯片互連工藝采用金絲球焊。將基板封粘接在淺腔式金屬外殼（UP5151-68）里面，采用平行縫焊工藝封蓋。

(1)基板工藝流程

基板制備采用生瓷材料，高溫共燒陶瓷工藝。工藝流程如下：

生瓷制備→下料→沖孔→小孔金屬化→絲網(wǎng)印刷→層壓→熱切→燒結(jié)→鍍鎳→鍍金→測(cè)試→成品

(2)組裝工藝流程

采用多芯片組裝工藝，流程如下：

芯片目檢、管殼基板清洗→基板粘接（G）→基板粘接質(zhì)量檢查→粘芯片→粘片質(zhì)量檢查→互連線鍵合（G）→鍵合質(zhì)量檢查（Q）→密封前內(nèi)部目檢→預(yù)烘焙→平行縫焊→外觀檢查→測(cè)試

其中，標(biāo)G為關(guān)鍵工藝，標(biāo)Q為質(zhì)檢工序。

4 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

4.1 高精度

精度主要由計(jì)數(shù)器來(lái)體現(xiàn)，電路采用12位計(jì)數(shù)器，由3個(gè)4位計(jì)數(shù)器組合而成。此配置極大提高了電路的測(cè)溫精度，電路測(cè)溫精度為0.0625℃，計(jì)數(shù)器的12位二進(jìn)制碼最高位為符號(hào)位，其余位則以0.0625℃/LSB的形式表示溫度值。溫度與數(shù)據(jù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

4.2 可靠性

4.2.1 設(shè)計(jì)可靠性

首先，確定基板尺寸大小?；宄叽邕^(guò)大時(shí)，印制線條長(zhǎng)，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；基板尺寸過(guò)小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，39mm×39mm的基板可以符合要求。然后對(duì)電路進(jìn)行邏輯分析、計(jì)算機(jī)仿真并且實(shí)際搭建電路進(jìn)行測(cè)試。為了確保電路的可靠工作，首先考慮各個(gè)元器件之間的前后匹配的問(wèn)題，必要時(shí)對(duì)各個(gè)元器件之間的前后匹配進(jìn)行重新調(diào)整，進(jìn)行各個(gè)芯片之間的參數(shù)匹配設(shè)計(jì)，選用合適的器件，確保前極電路對(duì)后極電路有足夠的驅(qū)動(dòng)能力，后極電路對(duì)前極電路有較小的負(fù)載。在保證匹配合適的情況下，盡可能選擇功耗較小的器件[4]。

表1 溫度-數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

在基板布線設(shè)計(jì)時(shí)，將基板分為兩個(gè)部分，數(shù)字區(qū)和模擬區(qū)，并單獨(dú)設(shè)計(jì)了數(shù)字地線和模擬地線層，以提高抗干擾能力。合理分布芯片的位置，使散熱均勻。再確定數(shù)模轉(zhuǎn)換器、運(yùn)放、比較器等元件的具體位置。最后，根據(jù)電路功能單元，對(duì)電路全部元器件進(jìn)行布局[5]。

布局時(shí)應(yīng)盡可能縮短高頻元器件之間的連線，減少它們的分布參數(shù)和相互間電磁干擾。易受干擾的元器件之間不能距離過(guò)近，輸入和輸出元器件應(yīng)盡量遠(yuǎn)離。按照電路流程安排各個(gè)功能電路單元的位置，使布局便于信號(hào)流通，并使信號(hào)盡可能保持一致方向。布線時(shí)，輸入輸出端導(dǎo)線要盡量避免相鄰平行，可用加地線的辦法來(lái)減小干擾。高頻信號(hào)線要遠(yuǎn)離易受干擾的信號(hào)線，并加地線保護(hù)。

4.2.2 工藝可靠性

電路的基板尺寸比較大，基板和管殼粘接方面的問(wèn)題是保證其可靠性的重要原素之一。在試驗(yàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)用不導(dǎo)電膠粘接的基板與管殼存在強(qiáng)度問(wèn)題，有一定的脫離機(jī)率；而采用真空燒結(jié)工藝將基板燒結(jié)在管殼上組裝的電路則沒(méi)有這方面的問(wèn)題，能夠經(jīng)受住各種嚴(yán)酷環(huán)境試驗(yàn)的要求。因此，在組裝工藝上使用真空燒結(jié)的方式來(lái)保證電路的可靠性[6]。

4.3 可測(cè)性

在基板布線時(shí)，將電路分為幾個(gè)功能模塊，引出運(yùn)放、比較器、時(shí)鐘、計(jì)數(shù)器等控制端和測(cè)試點(diǎn)，與外引線相連，使每一個(gè)功能塊的輸入信號(hào)可控制，輸出功能可檢測(cè)[7]。這樣在沒(méi)有封蓋之前可以進(jìn)行功能測(cè)試，若發(fā)現(xiàn)有問(wèn)題的電路，可以通過(guò)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試來(lái)確定問(wèn)題出現(xiàn)的原因，進(jìn)而可以找出出問(wèn)題的元器件，并返修將其替換掉，以此降低電路的制造成本。

5 結(jié)束語(yǔ)

所述電路是某整機(jī)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件，所用元器件全部為通用器件，功能適應(yīng)性廣，設(shè)計(jì)穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了溫度分辨率高、轉(zhuǎn)換精度高、性能穩(wěn)定等目標(biāo)。其研制成功克服了整機(jī)系統(tǒng)的應(yīng)用瓶頸，為整機(jī)的研制成功提供了有力的保障。該電路為國(guó)內(nèi)獨(dú)立自主研制的產(chǎn)品，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，避免了因進(jìn)口而受到的制約，為加強(qiáng)我國(guó)電子現(xiàn)代化水平做出了貢獻(xiàn)[8]。

[1] 沙占友.智能化集成溫度傳感器原理與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.Sha Zhanyou.Principleand Applicationof Intelligent Integrated Temperature Sensor[M].BeiJing：China Machine Press,2002.

[2] 趙正平，蘇世民.微組裝技術(shù)的發(fā)展 [J].半導(dǎo)體情報(bào)，1997,34（1）：1-8.Zhao Zhengping,Su Shimin,Development of Microassembly Technology[J].Semiconductor Information,1997,34（1）：1-8.

[3] 管慧.多芯片組件（MCM）技術(shù)[J].半導(dǎo)體技術(shù)，1994（6）：9-13.Guan Hui.Multichip Module Technology[J].Semiconductor Technology,1994（6）：9-13.

[4] 蘇世民.MCM 的現(xiàn)狀[J].半導(dǎo)體情報(bào)，1996，33(6)：1-5.Su Shimin.MCMStatus[J].Semiconductor Information,1996，33(6)：1-5.

[5] 何中偉，MCM芯片安裝互連及其相關(guān)技術(shù)[J].集成電路通訊，2004,22（2）：26-31.He Zhongwei.MCMChip Mounting Interconnection and Related Technologies[J].Integrated Circuit Communications,2004,22（2）：26-31.

[6] 圖馬拉.微系統(tǒng)封裝基礎(chǔ)[M].黃慶安等,譯.南京：東南大學(xué)出版社,2005.Rao R.Tummala.Fundamental of Microsystems Packaging[M].Huang Qing'an,et al.,Trans.Nanjing：Southeast University Press,2005.

[7] 邱碧秀.微系統(tǒng)封裝原理與技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006.Qiu Bixiu.The Principleand Technology of MicrosystemPack aging[M].BeiJing：Publishing House of Electronics industry,2006.

[8] 曾云,晏敏,魏曉云.多芯片組件技術(shù)[J].半導(dǎo)體技術(shù),2004，29(6)：2-4.Zeng Yun,Yan Min,Wei Xiaoyun.Multichip Module Technology[J].Semiconductor Technology,2004，29(6)：2-4.

Design and Implementation Based on the Temperature Parameter Conversion Circuit

Jiang Shuo
（The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China）

When technology manufacturing levels are getting higher and higher,temperature is not only a parameter which reflects the environmental heat and cold,but also gets involved in the research and production more and more.In many of the equipment,the complete machine and arming systems,the parameter temperature is taken into account,and is counducted the corresponding operation and adjustment according to the values of temperature,but in some cases the temperature parameters cannot be directly applied,which needs to be converted into other suitable forms of parameters or signal.The design and production is based on a specified high-precision temperature converter of certain complete machine system.The design principle and design course of the high-precision temperature converter is discussed,and the design key points are noted.

VMOSprocess；Driver；Test;J750;Digital waveform;IGBT

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.06.007

B

1002-2279-（2017）06-0030-03

作者簡(jiǎn)介：姜碩，1986年，男，漢族，籍貫山東省昌邑市，工程師，主要研究方向?yàn)榉庋b技術(shù)。

2017-11-08