軍品電路板調試階段下常用故障檢測手段介紹

航空工業集團公司洛陽電光設備研究所 劉博

隨著軍品電路板集成度的增加，在調試階段的排故難度系數增大。本文主要介紹了軍品電路板調試階段下故障檢測的意義及發展趨勢、故障的特點及分類，重點介紹了常用的故障檢測手段，為生產現場電路板的故障解決提供參考。

隨著軍品電子技術的發展，從單層板到多層板，從以分立器件為主的功能單一的集成電路，到現在以BGA、QFP 等為主的大規模封裝電路，集成度越來越高，產品故障率也增大，排故難度系數增大。這對電子裝調工程師加強故障檢測手段，更精準、更快速地進行故障板定位提出了更迫切的需求。

1 軍品電路板調試階段下故障檢測的意義及發展趨勢

電路板調試是電路板周轉工序的一步，完成的是功能狀態的檢測，是電路板的一個篩選過程。軍品電路板表現為多品種、小批量。一些電路板在調試階段發生故障，如果不馬上解決，會影響生產的交付進度，長期擱置將成為呆滯物資，造成生產資源的浪費。同時對電路板調試階段下的故障檢測，可將統計故障數據回饋到電子裝聯環節，關注故障多發芯片，改善工藝方法，穩定后續生產節奏，也可反饋到前期設計，修改焊盤尺寸、改善PCB 布局、預留JTAG 接口等，加快故障排除的速度，優化產品。

隨著軍品訂單量的增加，生產節奏的加快，對軍品電路板的維修節點也提出了更高的要求，在故障檢測方面向更快速、更準確的方向發展，故障定位的精確性逐步從器件級向管腳級過渡。

2 軍品電路板的故障特點及故障原因分類

軍品電路板多為數字電路板，且為光電混合型，包含大量的FPGA、DSP、CPLD 等芯片，引腳間距變小，集成度高，功能復雜，容易發生故障。同時由于功能檢測方法各異，電路板的故障表現形式也多樣、離散，但按定位的故障原因按照制造工藝的缺陷可以歸為：虛焊、短路、芯片的功能失效等。

3 軍品電路板調試階段常用的故障檢測方法

3.1 目視及光學檢查手段

通過肉眼直接觀察，檢查印制線有無斷裂；檢查元器件有無歪斜、漏焊、錯焊，有無磕碰；檢查焊點有無明顯的粘連、脫焊、歪斜；檢查芯片完整程度及焊裝方向。部分缺陷如圖1(a)、1(b)、1(c)所示。借助電子顯微鏡儀器檢查電路板上器件引腳虛焊、搭連等，也可檢查BGA 芯片邊緣的焊球質量。部分缺陷如圖1(d)、1(e)。

圖1 肉眼及顯微鏡下電路板缺陷Fig.1 Circuit board defects under the naked eye and microscope

3.2 萬用表及示波器的檢測方法

（1）用萬用表對合格電路板各個關鍵點或器件的關鍵管腳進行測試，得出具體的測量值，然后將故障電路板的關鍵點和疑似故障器件的關鍵管腳的測量值與之比對，測量值不一樣的那個地方就是出現故障的地方。以變壓器TS9002 來說，可通過萬用表測量管腳BUSAF 和BUSAZ之間的阻值，與正常器件相較，如阻值相差較大，則可判斷變壓器錯誤。（2）用示波器測量一些基本信號輸出，如源電壓及分級電壓數值是否正常，是否有紋波；測量時鐘信號及分時時鐘信號是否正常；看門狗電路是否正常工作、串口芯片的輸入輸出是否正常，芯片的使能信號和片選信號是否正常等。這種方法可初步判斷短路、虛焊及芯片功能失效的故障。這種方法需要結合PCB 圖紙，對工程師的經驗要求較高，而且對于一些管腳不可測量的芯片表現無力。

3.3 原位工裝替代法

在電路板排查的過程中，經常出現復位、串口無打印信息等故障，這些故障疑似點多發，且有些為BGA 芯片，信號無法測量。針對這種情況，可采用原位替換法，將疑似故障器件拆掉，器件不用焊裝，直接移位到備用的工藝電路板上進行驗證工作。這種方法可以縮小故障范圍，避免因多次返修給印制板和器件帶來損傷。這種替換方法應用到各種封裝的芯片上，如DIP、PGA、BGA 等。對于DIP、PGA 等芯片，在工藝電路板芯片原位置設有適配的插座，如圖2(a)、2(b)所示；對于需要表帖的BGA 等芯片則在工藝電路板芯片原位置設置專用工裝，一方面底部焊球與電路板焊盤的對位精確；另一方面保證BGA 芯片底部焊球與電路板焊盤之間實行充分接觸。如圖2(c)所示。

圖2 BGA 芯片原位替代工裝Fig.2 BGA chip in-situ replacement tooling

3.4 X-ray 檢測方法

X-ray 檢測方法是利用x 射線在不同密度材料上的穿透率不同，投影產生所需要的圖像。X 光檢測設備可以不破壞器件本身的結構和性能，就能檢測出器件焊點的橋連、空洞、虛焊等缺陷，達到無損檢測，可以發現電路板上虛焊、斷路、短路、器件失效等多種問題。

對通孔直插件，通過調整X 射線從側面照射需要測試的管腳，能觀察到通孔直插件的透錫率。根據IPC 標準3 級產品及我國航空標準對印制電路板的金屬化孔透錫率的要求是75%為合格產品，不滿足要求，即存在虛焊風險。如圖3(a)所示，透錫率不足50%。

圖3 BGA 焊點質量檢測圖Fig.3 BGA solder joint quality inspection diagram

對表面帖裝的BGA、LGA、QFN 等封裝的器件，焊點隱藏在器件體下方，焊接裝配后焊點缺陷的檢測比較困難。如圖3 所示中顯示了X-ray 下集中常見的器件焊接缺陷：3(b)為橋連，會造成電路板短路；3(c)為錫濺，會造成電路的短路；3(d)為BGA 空洞，根據IPC610 標準和業界規定，單個氣泡面積占比不得超過焊球面積的15%，所有空洞面積占比最高不得超過焊球面積的30%。有的空洞的存在不會對電路板的電氣性能造成影響，但可以降低BGA 器件可靠性和使用壽命；3(e)為爆球，會出現焊點接觸不良；3(f)器件相較正常的灌封不規則，可以判斷器件部分受損。

X-ray 檢測方法，解決電路板上芯片焊點橋連的問題，立竿見影。X-ray 對QFP、表帖器件缺乏檢測能力。但是對芯片虛焊、斷路、功能失效的問題，只能作為輔助的排查手段。

3.5 邊界掃描的方法

邊界掃描測試是一種針對復雜數字電路提出的可測性設計的測試技術。邊界掃描技術的基本思想是在靠近芯片的輸入輸出管腳上增加一個移位寄存器單元。因為這些移位寄存器單元都分布在芯片的邊界上（周圍），所以被稱為邊界掃描寄存器（Boundary-Scan Register Cell）。這些邊界掃描單元相互連接可以形成一個串行的邊界掃描測試鏈，通過對邊界掃寄存器輸入測試激勵，并對輸出響應進行分析，從而完成電路系統的測試及故障診斷。

本文采用TCL 語言進行實現邊掃程序的編寫，采用走步0 和走步1 的算法，按照IEEE 1149.1 加入非侵入指令：ID 碼識別指令（IDCODE）、用戶識別碼指令（USERCODE），根據不同電路板，建立不同的互聯測試和功能測試項。當測試過程中發生故障時，通過查看程序上管腳的定義，結合PCB 原理圖，進行故障的檢測。

邊界掃描結構的引入并不影響芯片的正常工作，使電子電路測試從用有限的物理接入躍進到了一個電子技術上的無限接入。邊界掃描的互聯測試，可以測試器件之間的互聯，檢測電路板上的虛焊點、器件管腳變形導致的短路和斷路；邊界掃描的功能測試，可以通過測試控制器為被測器件串行輸入測試激勵，再通過捕獲器件的輸出響應，來判斷器件系統功能的好壞。

3.6 基于硬件描述語言修改電路模型

大多數數字電路都被看做是被導線連接起來的門的集合。建立好的電路模型，能提高軟件模擬的速度，縮短故障診斷的時間。當電路板發生故障時，用硬件描述語言對門和導線進行重新建模，改變電路模型，可進行故障模擬，從而定位故障點。這種方法可以定位到某個芯片的故障，但無法準確定位到是虛焊還是功能失效。

舉例來說，某型帶處理器的電路板上有4 個Flash（ROM）作為嵌入式計算機電路板的存儲模塊，在實際應用中，只有一個Flash 為主工作芯片，若發生電路板操作系統無法燒錄的故障，并懷疑為Flash 芯片時，可在源文件中用硬件描述語言，將其程序修改為其他任一Flash 作為主工作芯片，重新建立電路模型。若電路板板正常工作，則說明原Flash 故障，反之，需要繼續排查鎖定。這種故障檢測方法需要對底層邏輯程序的了解。

3.7 軟件的更改

軍品電路板在軟件設計時對細節問題考慮不周，也會導致報故。如某型模塊上，隨著使用率的提升，電子盤存儲數據的增加，上電后文件系統索引表創建過程變慢，引起該型模塊操作系統啟動變慢，錯過了與其他模塊的同步時機，導致表現為模塊故障。經查找，為在系統設計初期未對各模塊啟動時間進行約束，造成各模塊啟動是否正常的實際判斷標準是由其中一模塊的初始化時間決定，但該模塊駐留不同應用軟件時，初始化時間也存在一定的波動。因此，該故障在產品中表現出架次或模塊之間的個性化差異。最終增大了系統的同步時間，修改模塊操作系統映像軟件解決了這個問題。

3.8 讀寫控制

對于電路板中含有存儲器的，通過讀寫控制，可以判斷電路板上控制線、數據線和地址線的好壞，可排查虛焊、短路和芯片功能失效的問題讀寫控制可采用串口工具，也可借助專用的Trace32 調試軟件來實現。若采用Trace32 的調試軟件時，發生數據跳動，證明該存儲器器件存在虛焊。如果出現寫入和讀出的數據不一致時，按照控制線、地址線、數據線的順序依次排查。當寫入和讀出數據一致時，也不能判斷出完全沒有問題，因為讀寫控制一般不是全空間覆蓋，所以也只能為一個輔助的手段。

4 結語

隨著軍品電路板復雜度的提高，如何豐富調試階段下的故障檢測手段，又快又準地排除故障，符合軍事生產的需要，顯得尤為重要。以上僅列舉了幾種常用的方法。任何一種方法都不足以對故障進行精準有效地定位，一般情況來說，都是多種方法互相佐證，才能實現故障的精準定位。

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