一種微型傳感信號諧振電路的研制

曹 艷

（陜西華經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、通用化和標準化，不僅能滿足現有幾十種已有大氣數據計算機的量程的振動筒壓力傳感器的應用要求，還可廣泛應用于各種新型飛機的大氣數據傳感器及使用環境相似的傳感器，同時可以用于航天某型號導彈用振動筒壓力傳感器，并在商用支線飛機等民用航空FADEC（全權數字式發動機電子控制）系統、壓力檢測設備上具有廣泛的推廣和應用前景。

1 產品描述和分析

1.1 主要技術指標

產品的主要技術指標如表1所示。

表1 產品的主要技術指標

1.2 產品外形尺寸

產品外形尺寸見圖1。

1.3 產品設計原理

根據以上的設計條件，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RC電路進行濾波，通過運算放大器及外圍電路構成的T型選頻網絡，對正弦輸入信號進行選頻放大，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品11腳輸入，經過放大后通過運算放大器和二極管組成的限幅電路進行限幅獲得準方波，再經三極管進行放大處理，在電路輸出端6腳獲得驅動線圈所需的電壓。

方波產生電路。從11腳輸入的信號，經過運算放大電路進行限幅放大，而對另一路輸入信號進行選頻放大、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 產品特點

（1）產品工作溫度范圍寬、精度高、性能穩定以及可靠性高；

（2）溫度電壓放大電路和諧振電路部分分開獨立設計，減小了兩者之間的相互干擾，使輸出更加準確、穩定；

圖1 產品外形尺寸

（3）雙列直插，全金屬密封封裝結構，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）整體設計方案的電路簡潔、工藝選擇合理，封裝結構可靠，保證了產品的性能穩定、可靠性高等特點；

（5）體積小（長×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鍵工藝技術

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

2.1 金屬封裝工藝

產品采用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構的外殼。現有的平行封焊夾具更適合對體積較大的產品進行封裝。由于該產品體積較小，在封裝過程中產品的一個方向容易翹起，導致產品需要進行二次封裝，且密封和水汽均無法滿足要求。為此，設計了高精度的專用封裝夾具，既便于操作，又滿足了產品密封和水汽的要求，而且具有良好的電磁屏蔽效果，更有利于產品的批產化。

2.2 厚膜混合集成工藝

產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，裸芯片粘接后進行金絲壓焊，有效縮小了產品體積。由于產品的體積小、印刷導體線條密集、導帶細、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，專門設計了幾個印刷定位點，避免了用肉眼觀察導體間相對位置造成的誤差，保證了印刷時導體位置的準確性和不同層間導體銜接的良好性，減小了誤差，同時提高了產品的可靠性。

3 產品工藝概況

電路采用厚膜混合集成電路集成工藝，電阻連同導帶用平面厚膜印刷、燒結，激光調阻，保證電阻阻值的精度、穩定性和一致性。基片表面非焊區部分采用表面鈍化保護；集成塊采用裸芯片粘接后金絲壓焊，電容采用再流焊技術，可靠性更高；封裝結構采用標準殼體，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品精度與穩定性。

按照單位的通用工藝要求和產品的組裝特點，設計產品的工藝工序為“PROTELL布圖→制版→印刷→烘干→燒結→激光調阻→表面裝配→測試→封裝→篩選”。其中，關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格按照產品圖紙及相關工藝文件進行操作，需要產品圖形（包括導體、電阻、介質、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花等現象。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的強度，降低焊接的失效機率。實踐證明，利用金絲球焊技術可以得到高可靠的混合集成電路。

產品制造過程中，嚴格按照質量保證大綱和各工序質量控制要求進行生產，各批次產品均達到了指標要求，送用戶、檢測機構測試均合格。

4 產品可靠性情況

4.1 實施依據

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范》。

4.2 可靠性分配與設計

4.2.1 可靠性預計

可靠性設計貫穿整個產品設計的始終。在線路設計方面、元器件選用方面進行綜合考慮，簡化線路，減少了元器件數量，并綜合考慮了元器件性能的余量設計。根據GJB/Z299C—2006《電子設備可靠性預計手冊》的相關規定，對產品的可靠性進行了理論計算和預計。

根據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），得到產品平均故障間隔時間為10.11萬小時，產品的質量等級滿足協議要求。

4.2.2 可靠性設計

對這種微型傳感信號諧振電路的可靠性設計主要包括以下幾個方面[2]：

（1）電路設計選用電路簡潔、已成熟的功能電路；

（2）元器件方面，選用質量穩定、工作溫度范圍寬的元器件；

（3）熱設計方面，產品本身無大電流，自殼體散熱；

（4）元器件及殼體采用阻燃材料保證產品安全。

5 存在的主要問題及努力方向

在后續的生產過程中，需要加強生產組裝過程中的工藝控制，優化篩選工裝夾具，不斷提高產品的合格率，力求為客戶整機提供更穩定、更可靠的產品，按照低功耗、小型化、批產化和高可靠的設計原則，持續地滿足客戶在傳感放大器方面不斷提出的需求。

6 結 論

所述產品在國內處于領先地位，可替代美國Weston Aero公司的系列產品，目前主要為飛機高度、速度以及氣象探測等傳感器系統提供配套電路，有望推廣到精密壓力測量領域，具有廣闊的應用前景。