某型紅外探測器預處理電路失效分析

陶家園 馮希辰 李健壯 黃曉宗

摘 要：作為紅外探測系統中的基礎硬件和關鍵部件，預處理電路的性能直接影響紅外探測系統成像質量。針對某型紅外探測器預處理電路的故障現象，建立故障樹逐步進行失效分析，定位異常處并通過測試驗證，進而提出糾正措施避免類似異常的發生。經過本次失效分析，找到了偶然事件產生的根源，通過采取糾正措施，降低了偶然失效發生的概率，對產品可靠性的提高具有顯著實用價值。

關鍵詞：紅外探測器；預處理電路；失效分析；可靠性

0 引言

預處理電路是紅外探測系統的基礎硬件，通過其處理最大化發揮紅外探測器的性能出來[1]。紅外探測系統功能框圖如圖1所示，預處理電路實現紅外探測器信號采集與調理、偏置電壓產生、時序驅動產生、溫度采集、圖像處理及傳輸等功能。

預處理電路是紅外探測系統模擬信號與數字信號的橋梁，其采集性能、圖像處理能力及輸出信號直接影響紅外探測系統成像質量，是整體系統的關鍵部件[2-3]。某型紅外探測系統在進行測試時發現圖像異常，成像圖片中有較多雪花點，定位為紅外預處理電路功能異常。本文對該異常現象進行失效分析。

1 失效原因分析

該款紅外探測器預處理電路原理框圖如圖2所示，電路主要由信號采集與調理單元、電源管理單元、溫度采集單元、數字處理單元、偏壓產生單元組成。

該紅外探測系統工作流程為預處理電路將紅外探測器圖像信號采集并發送到后級成像，中間不對圖像數據進行處理。工作過程中出現圖像成像異常，圖片中有較多雪花點。

根據故障現象及預處理電路功能實現判斷，引起圖像異常的原因可能為：預處理電路數據傳輸功能異常、探測器時序功能異常、偏置電壓異常、信號采集與調理功能異常。根據上述分析建立故障樹[4-5]，如圖3所示，下面對各個事件進行排查分析。

1.1 數據傳輸功能分析

預處理電路數據傳輸通路為FPGA輸出LVDS信號，如圖2數字處理單元所示。數據傳輸功能可通過FPGA自身生成測試數據，然后用EDA軟件SignalTapII對發送數據進行抓取進行對比分析。經測試發現，電路發送的數據與成像的數據一致，發送的數據包幀頭、幀尾，其編碼值與約定的數值一致，傳輸數據的個數與圖像接收的個數一致，未出現錯幀、跳幀現象。因此，排除數據傳輸功能異常。

1.2 探測器時序功能分析

預處理電路通過內部FPGA產生2組穩定的時序信號提供給探測器，如圖2數字處理單元所示。時序信號可通過示波器抓取進行分析，表1所示為抓取結果。

測試結果表明波形正常，且與時序功能設定一致。因此，排除探測器時序功能異常。

1.3 偏置電壓功能分析

預處理電路通過電壓基準及DA調理為探測器提供6路偏置電壓，如圖2偏差產生單元所示。偏置電壓可通過萬用表測試，表2所示為測試結果。

測試結果表明，偏置電壓波形正常，在指標范圍內。因此，排除探測器偏壓功能異常。

1.4 信號采集與調理功能分析

預處理電路主要通過差分運放對探測器輸出的模擬信號進行放大調理，然后通過AD采集調理后的信號，如圖2信號采集與調理單元所示。信號采集與調理功能可通過信號發生器輸入波形，利用SignalTapII抓取FPGA接收到的調理信號進行對比，圖4、圖5所示分別為輸入3.75 V直流信號與10 kHz，（1.6～4.6）V的正弦信號測試結果。

測試結果表明，經過運放調理及AD轉換后出現波形失真：直流信號出現毛刺，正弦信號出現臺階跳變。測試結果也表明，波形失真體現在局部，未出現整體偏移或振蕩。因此，初步判斷信號調理部分功能正常，采集部分功能異常。

從圖2信號采集與調理單元可以看出，信號采集功能通過AD實現，可初步定位AD轉換存在異常，可分為以下2種情況：

1）AD芯片自身功能異常；

2）互聯鍵合絲異常（短路或者開路）。

由于預處理電路中使用的是裸芯片AD，且密封在金屬腔體內部，不便于單獨測試AD芯片功能，故先從互連鍵合絲入手進行異常排查。首先對異常電路進行X射線檢查，圖6所示為X射線照相圖。

從圖6中可以看出，AD芯片上有2根鍵合絲扭曲，疑似短路（圖6中紅色標記處）。

為進一步確認AD芯片內部鍵合絲是否短路，我們對異常電路進行開帽鏡檢，如圖7所示，發現這2根鍵合絲確實存在接觸短路的情況，短路引腳分別對應AD芯片數據位的D9、D10位（此款AD芯片共14位，最高位為D1，最低位為D14）。

當AD芯片中D9、D10位短路時，兩個數據位輸出編碼電平一致。當D9、D10轉換結果均為1或均為0時，輸出編碼正常；當D9為0、D10為1或D9為1、D10為0時，則會出現電平的競爭，出現編碼的異常跳動，AD轉換輸出將會出現毛刺，與前述觀察現象一致。

1.5 測試驗證

為進一步驗證，將D9、D10短路鍵合絲進行分離處理，然后再通過信號源輸入3.75 V直流信號與10 kHz，（1.6～4.6）V的正弦信號測試，SiganalTapII抓取波形如圖8、圖9所示。

測試結果表明波形正常：直流信號無毛刺，正弦信號波形平滑，且與信號采集與調理單元理論計算值一致；將處理后的預處理模塊重新裝入紅外探測系統中成像質量良好，異常現象消失。

綜上所述，確認該預處理電路異常由AD芯片D9、D10數據位短路導致。

2 糾正措施

當預處理電路中AD芯片數據位短路時，會出現數據競爭，引起采集信號失真，造成紅外探測器成像異常。因此，保證AD芯片正常鍵合，不短路即可解決該問題。針對預處理電路模塊采取以下措施避免類似狀況發生：

更改板級鍵合點位置，避免鍵合絲朝向同一側引入短路風險；

嚴格控制鍵合工藝，鍵合前應在樣件進行鍵合試驗，并對鍵合絲進行拉力試驗等測試，確保鍵合正常；

嚴格執行封帽前的鏡檢，避免因觀察不仔細漏過異常位置；

在封帽前后增加信號采集與調理單元波形測試，確保信號采集與調理功能正常。

經采用上述措施，后續該電路多批次產品均未出現因AD鍵合絲短路出現的異常。

3 結束語

本文針對某型紅外探測器預處理電路異常現象，通過建立故障樹逐步進行失效分析，定位異常并通過測試驗證，進而提出糾正措施避免類似異常的發生。經過本次失效分析工作，找到了偶然事件產生的根源，通過采取糾正措施，降低了偶然失效發生的概率，對產品可靠性的提高具有顯著實用價值。

參考文獻：

[1] 馬強.基于DSP和FPGA的小型紅外成像預處理電路研究[D].成都：電子科技大學， 2016.

[2] 王明昌，陳寶國，呂雷.紅外焦平面探測器應用系統的設計與實現[J].激光與紅外， 2008， 38（003）：242-244.

[3] 楊小樂，史漫麗，凌龍.制冷型紅外探測器關鍵驅動與信號處理電路設計[J].紅外技術， 2016（7期）：556-560.

[4] 孫家坤.軍用集成電路失效分析[J].電子測試，2017（6）.

[5] 張顏林，鄒偉，周亮.某型數模混合集成電路基準異常抖動現象分析[J].環境技術，2018， 000（0z1）：140-147，152.