運放電路電子元件水下水密承壓特性測試與應用

中國船舶重工集團公司第七一五研究所 王旭東 徐 匡 包英俊

水下探測器需要使用到多類型的探測傳感器，在各類型的水下傳感器中均會使用到多類型的電子模塊進行傳感信號的處理傳輸。本文主要通過試驗測試應用于信號放大類型元器件本體封裝直接承壓極大的壓強值，通過測試統計驗證了水下水密非耐壓封裝設計方式的可行性。

在水下潛航器和水下探測平臺中均需要安裝各類型的水下探測傳感器，并且為了提高其探測性能，減少電噪聲干擾，需要電子模塊與傳感器就近安裝，形成一體化高靈敏度傳感器。但由于其水下應用環境的局限，部分使用場合如使用空間或整體重量要求等使用限制，無法使用耐壓殼體等大體積設計，需要將內部電子模塊暴露在承水壓環境進行工作。而高壓強環境會對元器件造成封裝失效、內部晶體破裂和元器件運行效率降低等不確定因素，從而導致整個傳感器在深水中失效。并且電路設計過程中，元器件使用手冊上缺少相關應用參數支持。為了確保電子電路可在高壓強環境下穩定運行，需探明電子電路在高壓強環境下運行性能，因此我們先期開展了對元器件本體封裝的物理抗壓測試來驗證猜測的可能性。

1 物理極限耐壓性能測試流程

本次驗證的設計工藝重點是將電子模塊和傳感器就近安裝裝配，安裝類型可分為嵌套安裝和組合安裝，完成安裝后的傳感器使用不同類型的水密封裝進行整體密封，以適應各環境類型水下探測使用。常用水密封裝類型可分為水密耐壓殼體封裝，水密耐壓硫化封裝。而本次測算驗證的設計方式為水密非耐壓封裝，核心是元器件能否承受大水壓壓強，元器件有一定的強度或限值，且當應力超出這一強度要求時，元器件便會失效，因此我們在測試時由元器件級別開始進行，完成元器件測試后進行下一階段元器件功能性耐壓測試，最后進行電子模塊級耐壓性能測試。水下探測電路功能基本為采集傳輸電路，因此本次驗證對象為采集傳輸的運放類電路元件。

初步驗證內容主要是以電子元件的本體封裝的物理抗壓強的性能進行測試，從而驗證出電子模塊的整體抗壓強性能，而物理抗壓強性能測試可分為極限壓強測試和極限水壓測試驗證兩個步驟。

物理極限測試可分為極限壓強測試和水壓極限承壓測試驗證，極限壓強測試可測得元器件封裝的極限壓強承受值，水壓極限承壓測試可驗證其極限壓強承受值的有效性。在完成測試后通過檢測設備進行完整性檢測，分為外部視覺檢測和內部X光探測。具體測試流程如圖1所示。

圖1 具體測試流程

2 測試試驗

2.1 元器件選型及封裝類型

水下用傳感器一般都需要將檢測信號進行長距離傳輸，我們在設計與傳感器匹配的電路時通常使用運算放大器、二極管、三極管和電阻/電容等元器件，將傳感器信號放大，以便長距離傳輸，減小傳輸過程帶來的干擾，從而提高整體探測精度。打了達到在小空間使用，需要高集成度、小體積電路設計，因此均使用貼裝類型元器件，采集放大電路中最主要的芯片一般只使用SO-8和Msop-8兩類封裝，其余配套元件封裝具體見表1所示，

表1 前放電路元器件封裝統計

電阻電容封裝承壓測試選用可能使用到的最大封裝，在材質相同的情況下，體積越小的元器件，耐壓強性能越高，因此只需對最大尺寸電阻電容進行極限承壓檢測。

2.2 各類封裝物理極限壓強測試

2.2.1 測試方法

使用聚氨酯材質薄膜，膜厚度為0.5mm，裁切成10mm×10mm方片可完全覆蓋所選類型元器件，墊覆在元器件上下兩面，使元器件上下兩面受力均勻，模擬水密灌注環境。將被測元件和墊覆膜放置在壓力設備檢測平臺上，每種類型封裝元器件最少測試次數為3次。將測試平臺極限值設置為30000N（常規封裝遠超極限水深），通過行程控制并檢測位移，檢測荷載壓力值（f）可換算為元器件表面所承受的壓強（p）。

測試結果取值為（f），（由于使用薄膜使元件受力均勻）因此元件承受壓強使用以上不含變量進行計算模擬。

2.2.2 測試結果統計

按以上測試方法進行測試，測試圖（部分）如圖2所示，(a)運放SO-8測試，(b)三極管SOT-23測試，(c)二極管SOD-323測試，(d)運放MSOP-8測試，(e)電阻電容1206測試，并統計最小突變位置荷載壓力值見表2所示。

圖2 各封裝測試示意圖

SOT-23、SOD-323電阻/電容1206封裝元件完成測試后均為碎裂狀態，對測試曲線最小耐受壓強所對應的運放SO-8封裝芯片，外觀觀察為整體狀態，以X光檢測方式進行內部檢測，圖3所示內部存在直觀的裂痕，因此該芯片可判斷為物理失效芯片。

圖3 內部開裂失效示意圖

表2測試結果統計計算

2.3 耐水壓測試驗證

以取值最小的耐受壓強37.5Mpa對應的運放SO-8封裝元器件進行水壓試驗，取3個產家，同類型封裝的運放元器件各20個，使用高壓水罐進行水壓試驗，試驗設置為10Mpa一個梯度，增加至30Mpa，各梯度保壓1個小時，升壓至40Mpa保壓30min，泄壓完成1階段水壓試驗，共重復進行3個循環，完成水壓試驗驗證。

水壓試驗后進行30min50℃烘干，后進行外觀檢測，全部封裝芯片外觀均無異常，因此繼續使用X光對芯片進行芯片內部探傷檢測，各類型芯片內部均未發現異常，包含四家品牌SO-8封裝運放芯片均不存在內部物理失效現象。水壓后內部狀態檢測如圖4所示。

圖4 水壓后內部狀態檢測圖

3 工藝設計總結及應用

通過芯片級測試，測試范圍內最小耐受壓強達到40Mpa，按一倍余量測算可滿足水下壓力設計指標20Mpa的要求，因此滿足大部分水下探測深度需要，就近設計的裝配工藝得到驗證支撐，可進行下一步模塊級試驗驗證。并且還需要完善各類常用電子元器件封裝的極限耐受壓強測試，為多類型水下功能模塊的設計做數據支撐和選型支撐，以便滿足多類型環境使用要求。