基于某數(shù)字系統(tǒng)的二次電源短路故障分析

閻 俊 張花妮 楊 怡 費(fèi)月玲

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

數(shù)字系統(tǒng)在調(diào)試過程中，遇到二次電源短路的故障是非常棘手的問題。隨著數(shù)字電路集成度越來越高，芯片管腳越來越密集，電路板生產(chǎn)的回流焊等過程中造成元器件管腳搭錫短路或者PCB板生產(chǎn)中出現(xiàn)相鄰線條短路又或者在工作中器件失效造成二次電源短路等都很常見。對電路短路故障排查的研究一直是數(shù)字處理系統(tǒng)領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。例如，文獻(xiàn)[1]利用虛擬儀器Lab-View將硬件和軟件互相整合，將待測印制電路板某區(qū)域加上一定電壓的正弦波信號(hào)，然后利用電磁感應(yīng)探頭測量印制電路板的電磁場密度分布情況，從而獲取電路短路或開路的位置。文獻(xiàn)[2]介紹了電路板短路點(diǎn)查找的拆機(jī)割線、電阻測量、發(fā)熱測量及專用設(shè)備測量等方法，并對幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了對比，總結(jié)了各種方法的適用情況。文獻(xiàn)[3]利用Lab-View仿真了PCB電路板短路與斷路的檢測識(shí)別，實(shí)現(xiàn)了圖像采集和短路與斷路檢測。文獻(xiàn)[4]介紹了造成電路板短路可能原因，對應(yīng)用ICT技術(shù)、短路定位分析儀和熱成像電路板檢測技術(shù)分析短路的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行比較，提出結(jié)合幾種方法綜合應(yīng)用，可有效地排除電路板短路故障。

本文基于某炮兵履帶式偵察車數(shù)字系統(tǒng)在調(diào)試中出現(xiàn)的二次電源短路問題，分析了調(diào)試中排除電源短路故障采取的常見方法。通過建立故障樹分層次總結(jié)了每一步故障產(chǎn)生的可能原因以及如何準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。

1 現(xiàn)象描述

某炮兵履帶式偵察車數(shù)字系統(tǒng)由1塊印制板(14層)和面板、冷板組成。印制板主要由1片AD9251芯片(兩路AD)、2片TMS320C6416(1GHz)數(shù)字處理芯片、1片Spatran-6(LX100T)和1片Virtex-5(SX-95T)FPGA芯片、時(shí)鐘AD9512芯片、對外串口、復(fù)位電路以及其他外圍電路組成。主要完成對單脈沖Σ、Δ兩個(gè)波束目標(biāo)回波的A/D采樣、數(shù)字下變頻、低通濾波及抽取、脈壓、MTD、求模、CFAR檢測(僅Σ通道)、測角等功能。對判定后的目標(biāo)信號(hào)進(jìn)行多普勒頻率分辨測量、距離分辨測量、角度分辨測量，并實(shí)時(shí)輸出距離、方位、多普勒頻率、幅度、時(shí)間戳等目標(biāo)信息，傳送給終端。此外，該系統(tǒng)還負(fù)責(zé)產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的各種時(shí)序信號(hào)，控制其他各分系統(tǒng)(微波系統(tǒng)、詢問機(jī)和伺服系統(tǒng)等)協(xié)調(diào)有序的工作。

該數(shù)字系統(tǒng)在通電調(diào)試之前需要對板卡上的二次電源進(jìn)行對地阻抗測試，通過CPCI插頭供電，供電電壓為DC5.0V/限流3.5A。為了保證供電安全，保護(hù)待調(diào)試的產(chǎn)品，通電前用數(shù)字三用表測試數(shù)字電路板上的二次電源測試點(diǎn)，逐一檢查各個(gè)測試點(diǎn)是否對地短路，如果短路先排除故障后再進(jìn)行下一步調(diào)試。每個(gè)測試點(diǎn)基本上都設(shè)置在PCB板上電源轉(zhuǎn)換模塊的輸出端。圖1所示為該數(shù)字系統(tǒng)二次電源測試點(diǎn)位置分布圖。其中各測試點(diǎn)參考值與測量值如下表1所示：V1P2(1.2V)、V3P3(3.3V)兩個(gè)電源測試點(diǎn)對地阻抗測量值約為0Ω，與參考值偏離較大，該測試結(jié)果阻斷調(diào)試進(jìn)一步進(jìn)行。

表1 二次電源測試點(diǎn)說明

2 機(jī)理分析

2.1 故障樹分析

上述現(xiàn)象模擬5V電和數(shù)字5V電采用單臺(tái)穩(wěn)壓直流電源同時(shí)提供，通電前需設(shè)置穩(wěn)壓直流電源的輸出電壓為+5.1V±0.1V(負(fù)載電流為5～7A，考慮到電源線上的壓降大約為0.1V)，并用三用表復(fù)查。

為了精確地進(jìn)行故障原因分析，將二次電源1.2V與3.3V對地?zé)o阻抗作為故障樹的頂級(jí)事件，建造故障樹如圖2所示。通過對PCB板外圍電路分析，分三步逐項(xiàng)采用X1～X3方法進(jìn)行排查。

2.1.1 常規(guī)排除法

常規(guī)排除法是數(shù)字系統(tǒng)調(diào)試最常用的一種方法，借助于數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的各類圖紙，依照故障現(xiàn)象逐項(xiàng)進(jìn)行排查。對于多層電路板，圖2中X1-1分枝采取查閱二次電源供電分布PCB電路圖，在計(jì)算機(jī)上利用看圖軟件(如Cadence/Protel等)觀察二次電源電路設(shè)計(jì)分布圖，選擇短路的網(wǎng)絡(luò)，電路軟件會(huì)突出顯示相應(yīng)的導(dǎo)線，看什么地方離的最近，最容易被粘連到一塊。通過查閱該數(shù)字系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)PCB圖，得知1.2V與3.3V供電于絕大多數(shù)集成芯片，采取常規(guī)排除法故障難以定位。

另外，經(jīng)X1-2主觀因素分析得知常規(guī)排除法對于模擬電路的故障定位相對較準(zhǔn)確。對于數(shù)字電路板，尤其是以信號(hào)處理芯片為核心、集成度高的復(fù)雜數(shù)字電路故障直接定位涉及相對較少。隨著電路板數(shù)字化程度越來越高，數(shù)字電路板在雷達(dá)數(shù)字處理系統(tǒng)中占有很大的比例。電路板中數(shù)字芯片集成度高，且對外界來說主要是輸出信號(hào)，直接從外界通過PCB圖紙觀察激勵(lì)信號(hào)非常困難。而且，數(shù)字集成芯片是整個(gè)電路板的核心，一旦芯片工作不正常，將導(dǎo)致整個(gè)處理系統(tǒng)癱瘓，僅通過電路板硬件設(shè)計(jì)圖紙很難定位故障。

2.1.2 顯微鏡/X-ray

數(shù)字集成電路的發(fā)展從封裝來看，體積越來越小，但引腳數(shù)卻越來越多。印制電路板作為各種數(shù)字系統(tǒng)的電氣和結(jié)構(gòu)支撐，也正朝著設(shè)計(jì)層數(shù)增加，布局布線密度變大，信號(hào)工作頻率提高的方向發(fā)展。如何快速準(zhǔn)確地定位由于集成芯片管腳虛焊、漏焊造成的系統(tǒng)故障成為數(shù)字系統(tǒng)調(diào)試所面臨的最主要問題。

常見的如PQFP[5]封裝芯片(如圖3(a))，引腳總數(shù)較多，引腳之間距離較小、管腳很細(xì)，而且沿用離線編程，各工序交接中極易造成芯片損傷。調(diào)試中此類芯片出現(xiàn)較多的漏焊、管腳粘連等問題。又如QFP[6]封裝芯片(如圖3(b))，焊接工藝要求極高，管腳易粘連，此封裝年代久遠(yuǎn)，大部分出現(xiàn)在老產(chǎn)品中，將被淘汰。圖3這兩種常見封裝芯片因?yàn)樘摵浮⒙┖浮⒐苣_粘連引起的故障最適合通過顯微鏡觀察處理。

又如BGA[7](Ball Grid Array，球柵陳列)封裝，該技術(shù)采用焊球和焊料焊接方式，其焊球隱藏在封裝本體下方，隨著電子產(chǎn)品向小型化方向的不斷發(fā)展，其所對應(yīng)的印制電路板焊盤尺寸設(shè)計(jì)也逐漸向小型化調(diào)整。BGA封裝間距減縮小致使此類芯片短路或空焊問題在BGA組裝焊接中頻繁出現(xiàn)。BGA短路問題主要采用的是X-ray檢測技術(shù)。一般的2D X-光機(jī)器主要針對BGA短路問題做有效檢測，而5D X-光機(jī)器則針對BGA封裝的空焊等做有效檢測。

圖2故障樹X2-1中通過顯微鏡排除大多數(shù)集成芯片管腳的虛/漏焊問題。對于2片TMS320C6416數(shù)字處理芯片則需要借助X-Ray進(jìn)行2D透視掃描觀察焊盤球形焊點(diǎn)是否粘連來判斷是否引起電源短路。另外，分枝X2中存在X2-2的缺點(diǎn)，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且X-光機(jī)器的昂貴價(jià)格使得大多數(shù)生產(chǎn)調(diào)試現(xiàn)場無法滿足需求。通過X2步驟觀察分析，短路故障仍未能定位。

2.1.3 短路測試儀

短路測試儀是查找短路的專業(yè)儀器，它的工作原理是往短路線路中施加特定的電波信號(hào)，再利用電波捕捉筆進(jìn)行跟蹤識(shí)別定位。短路測試儀具有明顯的聲光指示功能，可以方便地檢測出電纜或印制板上電子元器件焊接后有無短路存在，在測試棒接近短路點(diǎn)時(shí)，音量隨之增高。通過X1～X2步驟未能定位二次電源短路故障，在X3中啟用短路測試儀。首先，查看電路圖。在PCB印制板上四個(gè)角找到任意1.2V和3.3V電源正極和接地點(diǎn)，框定短路區(qū)域的大致范圍；其次，焊接1.2V和3.3V電源正負(fù)導(dǎo)線(分四組，每組正負(fù)各2條導(dǎo)線，共16條線)，做好測試前準(zhǔn)備工作；最后，連接短路儀測試線。測試儀上分別設(shè)置待測短路電壓1.2V和3.3V，接通后測試儀很快將1.2V和3.3V短路點(diǎn)定位到X3-1其中一片數(shù)字處理芯片上。關(guān)閉短路測試儀，恢復(fù)PCB印制板并送去表貼車間對短路處芯片強(qiáng)行拆除，拆除后用三用表復(fù)查圖1中的二次電源1.2V和3.3V測試點(diǎn)，對地阻抗測量值分別為31.5Ω和367.2Ω。

TMS320C6416(1GHz)芯片價(jià)格昂貴，調(diào)試中盡量避免對芯片進(jìn)行報(bào)廢。本文最終將故障定位在該芯片上，通過對芯片自身各3.3V和1.2V阻抗進(jìn)行測量，結(jié)果如X3-2所示，只能報(bào)廢。

2.2 DSP芯片短路分析

基于2.1中故障樹分析，將二次電源短路問題定位在DSP信號(hào)處理芯片TMS320C6416自身短路上。針對該芯片在調(diào)試過程中遇到的常見問題，分析短路及空焊的可能原因如下:

1)BGA短路及焊接工藝技術(shù)不當(dāng)

圖2中X3-1短路芯片獨(dú)特的BGA封裝決定了焊接工藝的高標(biāo)準(zhǔn)。由于在高溫加熱過程中，BGA封裝下的焊球和PCB印制板上的焊料均會(huì)呈現(xiàn)融融狀態(tài)，受BGA重力影響，原本成球狀或柱狀的焊球會(huì)隨著狀態(tài)的轉(zhuǎn)變而呈現(xiàn)扁平向外擴(kuò)張狀態(tài)，此時(shí)原本間距就很小的兩個(gè)焊球很容易融在一起，造成焊接上的X3-1-1短路問題，如圖4所示。

一般情況下此類焊接短路問題可以直接通過2D X-光機(jī)觀察，若出現(xiàn)兩焊球粘連短路可拆除芯片重新焊接。

2)BGA芯片儲(chǔ)存損傷

數(shù)字系統(tǒng)PCB印制板生產(chǎn)轉(zhuǎn)調(diào)試之前，首先在表貼車間對DSP芯片進(jìn)行焊接，要求BGA的焊球外觀圓潤和光亮，焊球不能有發(fā)暗、發(fā)黑和變色等現(xiàn)象。而在實(shí)際的生產(chǎn)加工過程中，往往會(huì)因?yàn)閳D2中X3-1-2的問題造成焊球氧化。如果BGA焊球表面被氧化，在焊接過程中，氧化膜會(huì)阻礙焊料和BGA錫球焊接在一起，造成空焊。由于BGA芯片的昂貴價(jià)格，此類焊球氧化的BGA一般會(huì)做返修處理，最安全的方式是重新植球，其次是在焊球表面涂助焊劑重新回流，使用助焊劑去除錫球表面氧化層降低焊接不良率。

另外，如果BGA封裝器件受潮，在回流焊后通常也會(huì)出現(xiàn)短路問題。當(dāng)植入的焊球受潮，水分在回流加熱時(shí)以氣態(tài)方式揮發(fā)，會(huì)有爆米花效應(yīng)造成焊接短路。當(dāng)焊球暴露在空氣中，其本身吸收水分的能力有限，而BGA封裝極易受潮，在回流加熱時(shí)，受潮本體中的水分快速揮發(fā)會(huì)造成器件本體芯片的變形，進(jìn)而造成BGA器件焊接不良。

因此，采購回的BGA封裝芯片必須進(jìn)行真空包裝并控制其儲(chǔ)存條件，防止芯片受潮以及焊球氧化，有效的避免因芯片短路造成的故障。

TMS320C6416數(shù)字信號(hào)處理芯片是TI公司的高性能數(shù)字處理器。只要生產(chǎn)焊接環(huán)節(jié)不出現(xiàn)問題，調(diào)試中在線程序編輯通常是不會(huì)出現(xiàn)問題的。本文中故障定位在該芯片的電源自身短路問題上，說明芯片在裝配焊接之前是不合格的。圖2故障樹X3-1-3與X3-2部分在本文數(shù)字系統(tǒng)某個(gè)批次產(chǎn)品中時(shí)常出現(xiàn)，后經(jīng)質(zhì)量部門介入調(diào)查并與芯片供應(yīng)商協(xié)調(diào)后更換了整個(gè)批次不合格TMS320C6416芯片。

3 結(jié)束語

本文針對某炮兵履帶式偵察車數(shù)字系統(tǒng)在調(diào)試中出現(xiàn)的二次電源短路問題，分析了調(diào)試中排除電源短路故障采取的常見方法。通過建立故障樹分層次總結(jié)了每一步故障產(chǎn)生的可能原因以及如何準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)。總結(jié)如下:

1)常規(guī)排除法能解決絕大多數(shù)可編程器件因管腳虛焊、漏焊、粘連等引起的各類短路問題。但對調(diào)試人員的要求較高，必須熟練掌握電路設(shè)計(jì)軟件及軟件編程語言。

2)借助顯微鏡及X光機(jī)排除短路故障針對性較強(qiáng)，不同封裝的可編程器件選用不同的儀器。短路測試儀可以方便的檢測出電纜或印制板上電子元器件焊接后有無短路存在。但這些儀器成本過高，大多數(shù)生產(chǎn)現(xiàn)場很難滿足要求。

3)引起DSP芯片短路的原因主要有BGA封裝焊接工藝不當(dāng)引起短路、芯片儲(chǔ)存不當(dāng)造成的損傷短路以及采購中供貨商的不合格芯片。