某型红外探测器预处理电路失效分析

陶家园 冯希辰 李健壮 黄晓宗

摘 要：作为红外探测系统中的基础硬件和关键部件，预处理电路的性能直接影响红外探测系统成像质量。针对某型红外探测器预处理电路的故障现象，建立故障树逐步进行失效分析，定位异常处并通过测试验证，进而提出纠正措施避免类似异常的发生。经过本次失效分析，找到了偶然事件产生的根源，通过采取纠正措施，降低了偶然失效发生的概率，对产品可靠性的提高具有显著实用价值。

关键词：红外探测器；预处理电路；失效分析；可靠性

0 引言

预处理电路是红外探测系统的基础硬件，通过其处理最大化发挥红外探测器的性能出来[1]。红外探测系统功能框图如图1所示，预处理电路实现红外探测器信号采集与调理、偏置电压产生、时序驱动产生、温度采集、图像处理及传输等功能。

预处理电路是红外探测系统模拟信号与数字信号的桥梁，其采集性能、图像处理能力及输出信号直接影响红外探测系统成像质量，是整体系统的关键部件[2-3]。某型红外探测系统在进行测试时发现图像异常，成像图片中有较多雪花点，定位为红外预处理电路功能异常。本文对该异常现象进行失效分析。

1 失效原因分析

该款红外探测器预处理电路原理框图如图2所示，电路主要由信号采集与调理单元、电源管理单元、温度采集单元、数字处理单元、偏压产生单元组成。

该红外探测系统工作流程为预处理电路将红外探测器图像信号采集并发送到后级成像，中间不对图像数据进行处理。工作过程中出现图像成像异常，图片中有较多雪花点。

根据故障现象及预处理电路功能实现判断，引起图像异常的原因可能为：预处理电路数据传输功能异常、探测器时序功能异常、偏置电压异常、信号采集与调理功能异常。根据上述分析建立故障树[4-5]，如图3所示，下面对各个事件进行排查分析。

1.1 数据传输功能分析

预处理电路数据传输通路为FPGA输出LVDS信号，如图2数字处理单元所示。数据传输功能可通过FPGA自身生成测试数据，然后用EDA软件SignalTapII对发送数据进行抓取进行对比分析。经测试发现，电路发送的数据与成像的数据一致，发送的数据包帧头、帧尾，其编码值与约定的数值一致，传输数据的个数与图像接收的个数一致，未出现错帧、跳帧现象。因此，排除数据传输功能异常。

1.2 探测器时序功能分析

预处理电路通过内部FPGA产生2组稳定的时序信号提供给探测器，如图2数字处理单元所示。时序信号可通过示波器抓取进行分析，表1所示为抓取结果。

测试结果表明波形正常，且与时序功能设定一致。因此，排除探测器时序功能异常。

1.3 偏置电压功能分析

预处理电路通过电压基准及DA调理为探测器提供6路偏置电压，如图2偏差产生单元所示。偏置电压可通过万用表测试，表2所示为测试结果。

测试结果表明，偏置电压波形正常，在指标范围内。因此，排除探测器偏压功能异常。

1.4 信号采集与调理功能分析

预处理电路主要通过差分运放对探测器输出的模拟信号进行放大调理，然后通过AD采集调理后的信号，如图2信号采集与调理单元所示。信号采集与调理功能可通过信号发生器输入波形，利用SignalTapII抓取FPGA接收到的调理信号进行对比，图4、图5所示分别为输入3.75 V直流信号与10 kHz，（1.6～4.6）V的正弦信号测试结果。

测试结果表明，经过运放调理及AD转换后出现波形失真：直流信号出现毛刺，正弦信号出现台阶跳变。测试结果也表明，波形失真体現在局部，未出现整体偏移或振荡。因此，初步判断信号调理部分功能正常，采集部分功能异常。

从图2信号采集与调理单元可以看出，信号采集功能通过AD实现，可初步定位AD转换存在异常，可分为以下2种情况：

1）AD芯片自身功能异常；

2）互联键合丝异常（短路或者开路）。

由于预处理电路中使用的是裸芯片AD，且密封在金属腔体内部，不便于单独测试AD芯片功能，故先从互连键合丝入手进行异常排查。首先对异常电路进行X射线检查，图6所示为X射线照相图。

从图6中可以看出，AD芯片上有2根键合丝扭曲，疑似短路（图6中红色标记处）。

为进一步确认AD芯片内部键合丝是否短路，我们对异常电路进行开帽镜检，如图7所示，发现这2根键合丝确实存在接触短路的情况，短路引脚分别对应AD芯片数据位的D9、D10位（此款AD芯片共14位，最高位为D1，最低位为D14）。

当AD芯片中D9、D10位短路时，两个数据位输出编码电平一致。当D9、D10转换结果均为1或均为0时，输出编码正常；当D9为0、D10为1或D9为1、D10为0时，则会出现电平的竞争，出现编码的异常跳动，AD转换输出将会出现毛刺，与前述观察现象一致。

1.5 测试验证

为进一步验证，将D9、D10短路键合丝进行分离处理，然后再通过信号源输入3.75 V直流信号与10 kHz，（1.6～4.6）V的正弦信号测试，SiganalTapII抓取波形如图8、图9所示。

测试结果表明波形正常：直流信号无毛刺，正弦信号波形平滑，且与信号采集与调理单元理论计算值一致；将处理后的预处理模块重新装入红外探测系统中成像质量良好，异常现象消失。

综上所述，确认该预处理电路异常由AD芯片D9、D10数据位短路导致。

2 纠正措施

当预处理电路中AD芯片数据位短路时，会出现数据竞争，引起采集信号失真，造成红外探测器成像异常。因此，保证AD芯片正常键合，不短路即可解决该问题。针对预处理电路模块采取以下措施避免类似状况发生：

更改板級键合点位置，避免键合丝朝向同一侧引入短路风险；

严格控制键合工艺，键合前应在样件进行键合试验，并对键合丝进行拉力试验等测试，确保键合正常；

严格执行封帽前的镜检，避免因观察不仔细漏过异常位置；

在封帽前后增加信号采集与调理单元波形测试，确保信号采集与调理功能正常。

经采用上述措施，后续该电路多批次产品均未出现因AD键合丝短路出现的异常。

3 结束语

本文针对某型红外探测器预处理电路异常现象，通过建立故障树逐步进行失效分析，定位异常并通过测试验证，进而提出纠正措施避免类似异常的发生。经过本次失效分析工作，找到了偶然事件产生的根源，通过采取纠正措施，降低了偶然失效发生的概率，对产品可靠性的提高具有显著实用价值。

参考文献：

[1] 马强.基于DSP和FPGA的小型红外成像预处理电路研究[D].成都：电子科技大学， 2016.

[2] 王明昌，陈宝国，吕雷.红外焦平面探测器应用系统的设计与实现[J].激光与红外， 2008， 38（003）：242-244.

[3] 杨小乐，史漫丽，凌龙.制冷型红外探测器关键驱动与信号处理电路设计[J].红外技术， 2016（7期）：556-560.

[4] 孙家坤.军用集成电路失效分析[J].电子测试，2017（6）.

[5] 张颜林，邹伟，周亮.某型数模混合集成电路基准异常抖动现象分析[J].环境技术，2018， 000（0z1）：140-147，152.