短路定位儀在高密度集成PCBA短路故障定位中的應用

田晚成，楊小鳳，舒鵬飛，吳大衛，陳亮

中國電子科技集團公司第二十九研究所，四川，成都，610000

0 引言

PCBA短路故障是數字類產品的常見故障之一，導致短路的因素有很多，如PCB印制板本身在加工過程中引入、元器件物料短路引入、焊接裝配過程引入等[1]。對于大批量生產的PCBA而言，如家電和PC行業，因其少品種大批量的特點，任何一個環節引入的短路風險都會造成巨大成本浪費，因此PCBA本身的制造成熟度非常高，故障率極低。對于多品種小批量的生產制造行業，產品的制造成熟度低、故障率較高，其PCBA短路故障較為突出。

本文主要面向多品種小批量的高密度集成的PCBA，針對其短路故障定位難、周期長、成本高的問題，對業界的PCBA短路定位儀展開調研，分析各種短路測試方法及其適用場景、優缺點，并通過應用實例，驗證短路定位儀對復雜PCBA短路故障排查的實用性。

1 高密度集成PCBA的特點

隨著芯片集成度越來越高，芯片的封裝已發生了翻天覆地的變化。最簡單的雙列直插DIP，以及扁平式封裝QFP和PFP、插針網格陣列PGA，其封裝的管腿都是可見的，管腿數量有限，可通過儀器進行直接測量，芯片價格相對較低，而發展到球柵陣列封裝BGA、柵格陣列封裝LGA、芯片尺寸封裝CSP、多芯片模塊MCM階段，芯片管腿呈指數級增加，且管腿裝配后不可視，儀器不可直接測量，芯片價格非常昂貴[2]。以電阻電容等為代表的典型分立元器件，其封裝的尺寸也越來越小，當前主流的0402封裝已不便于直接進行探針測量。

由于PCBA集成度越來越高，密度也越來越大，短路故障排查的難度也越來越大。目前主流信號處理類PCBA典型產品如圖1～2所示，其通常具有以下特點：

圖1 高密度集成PCBA 典型產品示意1（正面）

（1）集成度非常高，集成密度非常大，大量使用0402封裝的電阻電容，數量在1000左右的量級；大量選用BGA封裝和LGA封裝的高密度集成芯片；選用的TSOP類封裝引腳間隔低至0.5mm；

（2）PCBA電源網絡非常復雜，PCBA的主要器件幾乎都會用到幾種電源網絡，電源網絡短路時無法精準定位。

圖2 高密度集成PCBA 典型產品示意2（背面）

針對此類高密度集成PCBA板卡的短路故障，當下的排故手段是逐一拆除相關電源網絡的可疑相關元器件，這種排故方法需要逐一拆除確認的元器件非常多，消耗的人力和設備工時長，且容易造成元器件損傷及PCB損傷，效率極低、成本高、質量風險大；對于0402封裝的電容造成的短路，通常即使拆完了相關器件也不能排查到短路點，此時只能對PCB做報廢處理，造成極大的浪費。PCBA集成度越來越高是行業的趨勢，高密度PCBA板卡在行業中所占的比重也越來越大，為了解決此類PCBA的短路故障定位問題，迫切需要相關短路定位設備快速準確地對短路故障進行定位。

2 短路測試方法

業界短路定位的方法，按照出現時間的先后順序大致分為：萬用表法、毫歐表法、壓差測試法、電流軌跡法、熱阻變化法、紅外線法、向量激發法、矢量雷達法[3]。萬用表法是通過測量阻抗逐一拆除的方式排查短路，應當盡量避免使用，另外幾種方法按照其定位原理、技術特征、適用場景進行對比（表1）。

表1 主流短路定位方法對比情況

業界的短路定位儀大致分為3種。第一類短路定位儀通常集成了毫歐表、壓差測試、電流軌跡、向量激發法中的2～4種于一體。第二類短路定位儀基于熱阻變化或者紅外成像法，均是利用短路點發熱量大的原理進行短路點定位，其中紅外成像法效果明顯好于熱阻變化法。第三類短路定位儀基于矢量雷達法，其原理是以短路回路為天線，發射矢量雷達信號，通過捕捉信號軌跡確認短路點，屬于較新的短路定位技術。第三類基于矢量雷達法的短路定位儀定位精度指標為±5mm，第一類和第二類短路定位儀通常不會直接提供定位精度指標，業界根據其實際使用效果，提供了各種短路定位原理定位精度的比例關系，由此推算得出表1中前六種短路定位原理定位精度的范圍。

熱阻變化法沒有專用的設備，通常作為其他短路測試設備的一個輔助功能，通過熱阻變化法進行短路故障排查。原理、方法、適用短路類型均和紅外熱成像法類似，但是排查效果明顯不如紅外成像法，因此對這種方法不做展開介紹。

2.1 基于毫歐表、壓差測試、電流軌跡、向量激發法的短路定位儀器

這類儀器包括英國Polar Instruments公司的Polar Toneohm950、新加坡Proteq公司的CB2000、北京中慧天誠科技有限公司的NICT-950、北京達必勤科技有限公司的TS980。在同樣的短路定位方法下，4款儀器的指標非常接近，從表2可以看出Toneohm950提供的方法最全，Toneohm950獨有的向量激發法是唯一可解決PCB/PCBA層對層短路的方法，此種短路情況也是常見的短路故障。

表2 4款短路定位設備對比情況

Toneohm950的測試原理依賴探針與PCBA板卡的接觸，以下三種情況Toneohm950不能提供有效的故障排查指導：

（1）BGA封裝、LGA封裝造成的短路，引腳隱蔽在PCB和元器件之間，無法探測；

（2）0402封裝的電容造成的短路，封裝過小，總量太大，無法一一探測；

（3）對焊盤防護要求高的產品，應避免使用探針對PCBA板卡進行檢測。

由于PCBA產品集成度的提高，BGA封裝的FPGA、DDR、Flash器件、LGA封裝的電源芯片、0402封裝的去耦電容及電阻電容的內埋，在高密度的信號處理類模塊中得到了廣泛的應用，Toneohm950較難對此類PCBA的短路故障提供有效引導。

2.2 基于紅外成像法的短路定位儀器

利用紅外成像法進行短路故障處理，首先需要通過直流穩壓電源給PCBA提供適當的電流，等待合適的時間，使得組件發熱，然后通過熱成像儀檢測異常發熱點來判斷短路故障位置，并不是專用的短路定位設備[4]。可用于短路定位的紅外熱成像儀包括美國福祿克公司的Fluke TI25、武漢高德公司的GUIDE 980B、德國德圖公司的TESTO 869、美國菲力爾公司的FLIR E4，4款儀器對比見表3，可以看出4款儀器的測溫準確度一致，紅外頻帶和熱靈敏度相近，而溫度量程FLUKE TI25會優于其他。

表3 4款紅外熱像儀短路定位設備對比情況

熱成像儀應用到PCBA的短路故障排查存在明顯邊界，無法推廣作為短路排查的常規手段，使用場景受局限的原因有以下3點：

（1）排故過程需對電路板進行通電測量，提供的電壓、電流、熱穩定時間均難以量化，過壓過流的風險大；

（2）不適用于低阻短路，只有在短路阻抗大于1Ω的條件下，安全性、準確度較高，但是短路現象多為對地平面的短路，阻抗低于1Ω；

（3）溫度異常點不一定是短路點，帶有金屬殼的器件、螺釘孔、金屬安裝孔等都會有溫度異常，容易造成誤判。

2.3 基于矢量雷達法的短路定位儀器

矢量雷達法是德國Esamber公司推出的新一代短路定位方法。矢量雷達法的原理是以短路回路為天線發射矢量雷達信號，再用電波捕捉筆進行跟蹤識別定位[5]。因為矢量雷達信號功率非常小，電波捕捉筆也不需要和故障件進行接觸，所以沒有過壓過流風險，也不會破壞印制板，定位精度和電波捕捉筆探頭大小直接相關，可精確在5mm以內，總的來說基于矢量雷達法的測試方法較上述的短路測試方法具有較強的技術優勢。

3 短路定位儀的應用實例

根據以上調研和分析，對于高密度集成PCBA的短路故障排查，基于矢量雷達法的短路定位儀具有超強的先天技術優勢，在此以Esamber的VRD 7000P短路定位儀進行短路定位應用的實例驗證。

3.1 高密度集成PCBA典型產品

以圖1所示的高密度集成PCBA 典型產品為例（圖3），其短路故障現象為：+3.3V對地5Ω短路。該產品組成如下：

圖3 VRD 7000P短路定位儀圖示

（1）擁有1000+的片式電容和400+的片式電阻，封裝極小，尤其是片式電容可接入到所有的電源網絡；

（2）14個以BGA封裝的FPGA芯片、DDR，以及LGA封裝的電源芯片；8個以TSOP封裝的FLASH、ADC、單片機芯片，引腳間隔僅0.5mm；同一種電源網絡涉及超過5個主要芯片。

3.2 短路定位儀的應用

用通俗的話來說，VRD 7000P短路定位儀的測試原理：某兩點之間短路，那么兩點之間一定存在一個短路阻抗很低的回路，以此回路作為天線回路，注入雷達電波信號，則回路中就會分布電波信號，使用探筆尋找此電波信號就能判斷短路點。

先在PCB里顯示出待測信號圖層（圖4中的黃色區域為+3.3V電路層），然后首選窄路徑的最遠端作為探測點（圖4中的A、B兩點）：

圖4 短路測試儀探測示意圖1

（1）A方向測試：從A處灌注信號，信號響應范圍在虛線路徑內，探測到的最遠距離至左上角，且此處信號比較強，左下角部分基本探測不到信號；

（2）B方向測試：從B處灌注信號，信號響應范圍在虛線路徑內，探測到的最遠距離至左上角，且此處信號比較強；

（3）用上述方法選取線路上不同點探測（圖5），發現探測到的信號交集為虛線圈范圍，且虛線圈內與+3.3V有關的芯片只有D14，此時可初步判定為虛線圈的D14芯片短路，然后在D14處注入信號，其余地方均無明顯信號，最終短路測試儀判斷為D14短路。

圖5 短路測試儀探測示意圖2

3.2 短路定位儀的驗證結果

將D14芯片取下后，短路故障排除，排查時短路定位儀不會和故障件進行接觸，沒有過壓過流風險，不會對印制板造成損傷。結果驗證了基于矢量雷達法的短路定位儀在保障產品物理安全和電性能安全的前提下，能極大提升高密度集成PCBA短路故障定位的效率。其故障定位時間短，定位精準，極大地縮短了定位排查周期，短路故障修復引入的成本極低。

4 結語

如今以ADC、DAC、FPGA、DSP、單片機、DDR、FLASH等為代表的高度集成且價格不菲的芯片，是高密度集成PCBA板卡的常客，這類信號處理類產品也因此一直是生產制造的核心產品之一。PCBA短路故障作為常見故障之一，對于多品種小批量的生產制造行業，在產品的制造成熟度較低的情況下，在前端的產品設計、工藝制造過程、供應鏈管理過程都可能引入短路故障時，在生產制造的末端仍需消除產品故障，而基于矢量雷達法的短路定位儀對高密度集成PCBA短路故障定位的實例應用，充分驗證了這類短路定位儀對復雜PCBA短路故障排查的實用性。