數據鏈系統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據鏈系統中，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據鏈系統的性能。針對用戶對微型溫度控制電路的迫切需求，運用陜西華經微電子股份有限公司的技術條件和工藝條件，對其開展研制工作。

1 產品的技術指標

1．1 電特性

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

表1 主要電特性

1．2 外形結構

外形尺寸見圖1。

圖1 外形尺寸

2 設計方案

產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，產品的可靠性，優良的抗振能力、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集成有負溫度系數的熱敏電阻Rt和功率三極管，根據熱敏電阻在不同的溫度下阻值不同，通過控制發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。

調節外接電阻，可以改變基準電壓，根據需要設定不同的恒定溫度。

調節外接限流電阻（與R9并聯），可以調節發熱功率，設定不同的加熱速率。

圖2 電路原理圖

2．2 結構設計和可靠性設計

產品采用引線鍍金、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構，并在底部設有安裝固定孔，提高了產品的抗振性能；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。

由于本產品為溫度控制電路，產品自身發熱產生的溫度是主要的控制指標。因此，設計中把發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，使熱量能迅速從內部傳導到外部，內外溫度迅速平衡，提高了產品的靈敏度，同時也使產品正常工作時其內部元件有一個合理的熱應力環境，提高產品的可靠性設計。

根據可靠性預計理論計算，該產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，該生產線已經通過QML認證，質量嚴格按《混合集成電路通用規范》和《質量保證大綱》要求進行控制。

3 技術難點、解決措施和關鍵工藝技術

3．1 技術難點及解決措施

3．1．1 電路模式與關鍵器件的選定

本產品為溫度控制電路，通過調節三極管的功耗發熱來控制溫度，所以電路模式圍繞如何實現調節三極管功耗來展開，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，陶瓷基片的材質和面積足以將電路自身所產生熱量從容擴散出去，大大減小了由于熱效應對產品產生的老化作用，從而延長產品的使用壽命，提高了可靠性。

3．1．2 功率三極管低溫工作不穩定的問題

在產品測試過程中，發現輸入電流在產品達到溫度平衡的臨界狀態時，輸入電流按原理應該是逐漸降低的，但是出現了電流先增大后降低的現象，經分析是由于PNP三極管在臨界工作狀態轉換時，產生振蕩引起的，通過理論分析和實驗驗證，在三極管基極加吸收網絡解決了這一問題。

3．1．3 關于控制精度的問題

在產品測試過程中，控制精度不能達到要求，后經過理論計算，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，讓整個產品達到同一溫度，減少測量時的誤差。

3．2 關鍵工藝技術

導帶印刷和金絲壓焊為關鍵工藝。由于產品基片小，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的布圖，在必須布介質的地方，要將介質盡量布大，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的規定。

3．3 安全性設計

產品工作在安全電壓范圍內，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、原材料為成熟產品和通用產品，均滿足軍品質量要求，國產元器件、原材料供應單位均為軍工合格供應方，進口元器件、原材料有可靠穩定的進貨渠道。

4 新品特點

（1）產品體積小，可以為較小的精密器件提供恒溫環境；

（2）可以通過外接電阻設置出寬范圍恒溫值；

（3）可通過外接電阻調節產品的加熱功率，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 結束語

該產品體積小，可以為較小的精密器件提供一個可調的恒溫環境，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的不同溫度并且可以調節加熱功率。該產品適合批量生產，用戶試用情況良好，具有良好的經濟效益。

［1］ 方佩敏，張國華．最新集成電路應用指南．電子工業出版社，2009．

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

［3］ 童詩白，華成英．模擬電子技術基礎（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．