基于溫度參數轉換電路的設計與實現

姜碩

基于溫度參數轉換電路的設計與實現

姜碩

（中國電子科技集團公司第四十七研究所，沈陽11032）

當科技制造水平越來越高，溫度不僅僅作為一個反映周圍環境冷熱程度的數值，而是更多地參與到了人們的研制和生產中去。在許多設備、整機、武裝系統中都需要考慮到溫度這個參數，并根據溫度來進行相應的運算或調節，但是溫度參數在一些情況下是不能直接應用的，需要將它轉換成其他形式合適的參數或信號。基于某整機系統中專用的高精度溫度轉換器進行設計和制造。討論高精度溫度轉換器的設計原理和設計制造過程，并對設計要點進行說明。

溫度轉換；邏輯控制；多芯片集成；高精度；高可靠性

1 引 言

在當前的技術時代里，溫度不僅僅作為一個反映周圍環境冷熱程度的數值，而是更多地參與到了人們的研制和生產當中。在許多科研生產的實際應用中，溫度參數需要轉換成其他形式的參數或信號，這時就要用溫度參數轉換電路來實現這一點，以下所述電路即為某型號整機系統中的一種高精度溫度參數轉換器[1]。

2 電路原理設計

為實現溫度參數轉換電路的功能,將電路分為三部分：輸入部分、控制部分、輸出部分。邏輯功能框圖見圖1。

（1）輸入部分

輸入部分由溫度傳感器和運放組成。溫度傳感器被用來采集外界溫度變化信號，經過運算放大器將信號放大，放大的信號作為下一部分的信號輸入。

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位可逆計數器、地址譯碼控制裝置、控制器7個部分組成。

（3）輸出部分

由寄存器作為輸出部分。在時鐘輸入端外加512k的時鐘信號，經過分頻器分頻出的信號，作為12位可逆計數器的時鐘信號，每給一個時鐘，12位可逆計數器就進行一次加一（減一）計數。由上一部分輸出的信號作為12位D/A數模轉換器的參考電壓信號，與計數器輸出的12位數據相比較，輸出一個模擬電壓量，當這個模擬電壓的值大于0時，由比較器輸出一個高電壓，由加減控制單元給出一個正向計數控制信號，使計數器進行加一計數；當模擬電壓量的值小于0時，使計數器進行減一計數。寄存器中保存12位可逆計數器中的數據，并由此作為閉環循環，直到計數器中數據與參考電壓信號在D/A變換比較器中轉換后的數據相同時，由地址譯碼裝置控制寄存器輸出計數器的當前數據。由此就可以將外界的溫度信號轉換成一組12位的數值，實現溫度與數字信號之間的轉換[2]。

3 電路設計

3.1 基板設計

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重，實施起來非常困難，因此采用多芯片組裝結構，根據集成電路的數量和種類以及相互之間的關系，考慮各部分之間的干擾情況，來確定各個集成電路的位置，然后進行布線[3]。

基板主要設計規則：

信號線寬度：≥0.25mm；

電源線寬度：≥0.3mm；

地線寬度：≥0.3mm；

過孔直徑：≥0.25；

導線間距：≥0.25mm；

導線與過孔間距：≥0.25mm；

過孔與過孔間距：≥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）安裝工藝為導熱膠（絕緣膠和導電膠）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→絲網印刷→層壓→熱切→燒結→鍍鎳→鍍金→測試→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）→基板粘接質量檢查→粘芯片→粘片質量檢查→互連線鍵合（G）→鍵合質量檢查（Q）→密封前內部目檢→預烘焙→平行縫焊→外觀檢查→測試

其中，標G為關鍵工藝，標Q為質檢工序。

4 設計要點

4.1 高精度

精度主要由計數器來體現，電路采用12位計數器，由3個4位計數器組合而成。此配置極大提高了電路的測溫精度，電路測溫精度為0.0625℃，計數器的12位二進制碼最高位為符號位，其余位則以0.0625℃/LSB的形式表示溫度值。溫度與數據的對應關系見表1。

4.2 可靠性

4.2.1 設計可靠性

首先，確定基板尺寸大小。基板尺寸過大時，印制線條長，阻抗增加，抗噪聲能力下降，成本也增加；基板尺寸過小，則散熱不好，且鄰近線條易受干擾。經過試驗，39mm×39mm的基板可以符合要求。然后對電路進行邏輯分析、計算機仿真并且實際搭建電路進行測試。為了確保電路的可靠工作，首先考慮各個元器件之間的前后匹配的問題，必要時對各個元器件之間的前后匹配進行重新調整，進行各個芯片之間的參數匹配設計，選用合適的器件，確保前極電路對后極電路有足夠的驅動能力，后極電路對前極電路有較小的負載。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-數據對應關系

在基板布線設計時，將基板分為兩個部分，數字區和模擬區，并單獨設計了數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。再確定數模轉換器、運放、比較器等元件的具體位置。最后，根據電路功能單元，對電路全部元器件進行布局[5]。

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

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題是保證其可靠性的重要原素之一。在試驗過程中，發現用不導電膠粘接的基板與管殼存在強度問題，有一定的脫離機率；而采用真空燒結工藝將基板燒結在管殼上組裝的電路則沒有這方面的問題，能夠經受住各種嚴酷環境試驗的要求。因此，在組裝工藝上使用真空燒結的方式來保證電路的可靠性[6]。

4.3 可測性

在基板布線時，將電路分為幾個功能模塊，引出運放、比較器、時鐘、計數器等控制端和測試點，與外引線相連，使每一個功能塊的輸入信號可控制，輸出功能可檢測[7]。這樣在沒有封蓋之前可以進行功能測試，若發現有問題的電路，可以通過測試點的測試來確定問題出現的原因，進而可以找出出問題的元器件，并返修將其替換掉，以此降低電路的制造成本。

5 結束語

所述電路是某整機系統中的關鍵部件，所用元器件全部為通用器件，功能適應性廣，設計穩定可靠，實現了溫度分辨率高、轉換精度高、性能穩定等目標。其研制成功克服了整機系統的應用瓶頸，為整機的研制成功提供了有力的保障。該電路為國內獨立自主研制的產品，具有自主知識產權，避免了因進口而受到的制約，為加強我國電子現代化水平做出了貢獻[8]。

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

[2] 趙正平，蘇世民.微組裝技術的發展 [J].半導體情報，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[J].半導體技術，1994（6）：9-13.Guan Hui.Multichip Module Technology[J].Semiconductor Technology,1994（6）：9-13.

[4] 蘇世民.MCM 的現狀[J].半導體情報，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技術[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.微系統封裝基礎[M].黃慶安等,譯.南京：東南大學出版社,2005.Rao R.Tummala.Fundamental of Microsystems Packaging[M].Huang Qing'an,et al.,Trans.Nanjing：Southeast University Press,2005.

[7] 邱碧秀.微系統封裝原理與技術[M].北京：電子工業出版社,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[J].半導體技術,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，主要研究方向為封裝技術。

2017-11-08