军品电路板调试阶段下常用故障检测手段介绍

2022-07-20航空工业集团公司洛阳电光设备研究所刘博

数字技术与应用 2022年6期

航空工业集团公司洛阳电光设备研究所刘博

随着军品电路板集成度的增加，在调试阶段的排故难度系数增大。本文主要介绍了军品电路板调试阶段下故障检测的意义及发展趋势、故障的特点及分类，重点介绍了常用的故障检测手段，为生产现场电路板的故障解决提供参考。

随着军品电子技术的发展，从单层板到多层板，从以分立器件为主的功能单一的集成电路，到现在以BGA、QFP 等为主的大规模封装电路，集成度越来越高，产品故障率也增大，排故难度系数增大。这对电子装调工程师加强故障检测手段，更精准、更快速地进行故障板定位提出了更迫切的需求。

1 军品电路板调试阶段下故障检测的意义及发展趋势

电路板调试是电路板周转工序的一步，完成的是功能状态的检测，是电路板的一个筛选过程。军品电路板表现为多品种、小批量。一些电路板在调试阶段发生故障，如果不马上解决，会影响生产的交付进度，长期搁置将成为呆滞物资，造成生产资源的浪费。同时对电路板调试阶段下的故障检测，可将统计故障数据回馈到电子装联环节，关注故障多发芯片，改善工艺方法，稳定后续生产节奏，也可反馈到前期设计，修改焊盘尺寸、改善PCB 布局、预留JTAG 接口等，加快故障排除的速度，优化产品。

随着军品订单量的增加，生产节奏的加快，对军品电路板的维修节点也提出了更高的要求，在故障检测方面向更快速、更准确的方向发展，故障定位的精确性逐步从器件级向管脚级过渡。

2 军品电路板的故障特点及故障原因分类

军品电路板多为数字电路板，且为光电混合型，包含大量的FPGA、DSP、CPLD 等芯片，引脚间距变小，集成度高，功能复杂，容易发生故障。同时由于功能检测方法各异，电路板的故障表现形式也多样、离散，但按定位的故障原因按照制造工艺的缺陷可以归为：虚焊、短路、芯片的功能失效等。

3 军品电路板调试阶段常用的故障检测方法

3.1 目视及光学检查手段

通过肉眼直接观察，检查印制线有无断裂；检查元器件有无歪斜、漏焊、错焊，有无磕碰；检查焊点有无明显的粘连、脱焊、歪斜；检查芯片完整程度及焊装方向。部分缺陷如图1(a)、1(b)、1(c)所示。借助电子显微镜仪器检查电路板上器件引脚虚焊、搭连等，也可检查BGA 芯片边缘的焊球质量。部分缺陷如图1(d)、1(e)。

图1 肉眼及显微镜下电路板缺陷Fig.1 Circuit board defects under the naked eye and microscope

3.2 万用表及示波器的检测方法

（1）用万用表对合格电路板各个关键点或器件的关键管脚进行测试，得出具体的测量值，然后将故障电路板的关键点和疑似故障器件的关键管脚的测量值与之比对，测量值不一样的那个地方就是出现故障的地方。以变压器TS9002 来说，可通过万用表测量管脚BUSAF 和BUSAZ之间的阻值，与正常器件相较，如阻值相差较大，则可判断变压器错误。（2）用示波器测量一些基本信号输出，如源电压及分级电压数值是否正常，是否有纹波；测量时钟信号及分时时钟信号是否正常；看门狗电路是否正常工作、串口芯片的输入输出是否正常，芯片的使能信号和片选信号是否正常等。这种方法可初步判断短路、虚焊及芯片功能失效的故障。这种方法需要结合PCB 图纸，对工程师的经验要求较高，而且对于一些管脚不可测量的芯片表现无力。

3.3 原位工装替代法

在电路板排查的过程中，经常出现复位、串口无打印信息等故障，这些故障疑似点多发，且有些为BGA 芯片，信号无法测量。针对这种情况，可采用原位替换法，将疑似故障器件拆掉，器件不用焊装，直接移位到备用的工艺电路板上进行验证工作。这种方法可以缩小故障范围，避免因多次返修给印制板和器件带来损伤。这种替换方法应用到各种封装的芯片上，如DIP、PGA、BGA 等。对于DIP、PGA 等芯片，在工艺电路板芯片原位置设有适配的插座，如图2(a)、2(b)所示；对于需要表帖的BGA 等芯片则在工艺电路板芯片原位置设置专用工装，一方面底部焊球与电路板焊盘的对位精确；另一方面保证BGA 芯片底部焊球与电路板焊盘之间实行充分接触。如图2(c)所示。

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

3.4 X-ray 检测方法

X-ray 检测方法是利用x 射线在不同密度材料上的穿透率不同，投影产生所需要的图像。X 光检测设备可以不破坏器件本身的结构和性能，就能检测出器件焊点的桥连、空洞、虚焊等缺陷，达到无损检测，可以发现电路板上虚焊、断路、短路、器件失效等多种问题。

对通孔直插件，通过调整X 射线从侧面照射需要测试的管脚，能观察到通孔直插件的透锡率。根据IPC 标准3 级产品及我国航空标准对印制电路板的金属化孔透锡率的要求是75%为合格产品，不满足要求，即存在虚焊风险。如图3(a)所示，透锡率不足50%。

图3 BGA 焊点质量检测图Fig.3 BGA solder joint quality inspection diagram

对表面帖装的BGA、LGA、QFN 等封装的器件，焊点隐藏在器件体下方，焊接装配后焊点缺陷的检测比较困难。如图3 所示中显示了X-ray 下集中常见的器件焊接缺陷：3(b)为桥连，会造成电路板短路；3(c)为锡溅，会造成电路的短路；3(d)为BGA 空洞，根据IPC610 标准和业界规定，单个气泡面积占比不得超过焊球面积的15%，所有空洞面积占比最高不得超过焊球面积的30%。有的空洞的存在不会对电路板的电气性能造成影响，但可以降低BGA 器件可靠性和使用寿命；3(e)为爆球，会出现焊点接触不良；3(f)器件相较正常的灌封不规则，可以判断器件部分受损。

X-ray 检测方法，解决电路板上芯片焊点桥连的问题，立竿见影。X-ray 对QFP、表帖器件缺乏检测能力。但是对芯片虚焊、断路、功能失效的问题，只能作为辅助的排查手段。

3.5 边界扫描的方法

边界扫描测试是一种针对复杂数字电路提出的可测性设计的测试技术。边界扫描技术的基本思想是在靠近芯片的输入输出管脚上增加一个移位寄存器单元。因为这些移位寄存器单元都分布在芯片的边界上（周围），所以被称为边界扫描寄存器（Boundary-Scan Register Cell）。这些边界扫描单元相互连接可以形成一个串行的边界扫描测试链，通过对边界扫寄存器输入测试激励，并对输出响应进行分析，从而完成电路系统的测试及故障诊断。

本文采用TCL 语言进行实现边扫程序的编写，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 码识别指令（IDCODE）、用户识别码指令（USERCODE），根据不同电路板，建立不同的互联测试和功能测试项。当测试过程中发生故障时，通过查看程序上管脚的定义，结合PCB 原理图，进行故障的检测。

边界扫描结构的引入并不影响芯片的正常工作，使电子电路测试从用有限的物理接入跃进到了一个电子技术上的无限接入。边界扫描的互联测试，可以测试器件之间的互联，检测电路板上的虚焊点、器件管脚变形导致的短路和断路；边界扫描的功能测试，可以通过测试控制器为被测器件串行输入测试激励，再通过捕获器件的输出响应，来判断器件系统功能的好坏。

3.6 基于硬件描述语言修改电路模型

大多数数字电路都被看做是被导线连接起来的门的集合。建立好的电路模型，能提高软件模拟的速度，缩短故障诊断的时间。当电路板发生故障时，用硬件描述语言对门和导线进行重新建模，改变电路模型，可进行故障模拟，从而定位故障点。这种方法可以定位到某个芯片的故障，但无法准确定位到是虚焊还是功能失效。

举例来说，某型带处理器的电路板上有4 个Flash（ROM）作为嵌入式计算机电路板的存储模块，在实际应用中，只有一个Flash 为主工作芯片，若发生电路板操作系统无法烧录的故障，并怀疑为Flash 芯片时，可在源文件中用硬件描述语言，将其程序修改为其他任一Flash 作为主工作芯片，重新建立电路模型。若电路板板正常工作，则说明原Flash 故障，反之，需要继续排查锁定。这种故障检测方法需要对底层逻辑程序的了解。

3.7 软件的更改

军品电路板在软件设计时对细节问题考虑不周，也会导致报故。如某型模块上，随着使用率的提升，电子盘存储数据的增加，上电后文件系统索引表创建过程变慢，引起该型模块操作系统启动变慢，错过了与其他模块的同步时机，导致表现为模块故障。经查找，为在系统设计初期未对各模块启动时间进行约束，造成各模块启动是否正常的实际判断标准是由其中一模块的初始化时间决定，但该模块驻留不同应用软件时，初始化时间也存在一定的波动。因此，该故障在产品中表现出架次或模块之间的个性化差异。最终增大了系统的同步时间，修改模块操作系统映像软件解决了这个问题。

3.8 读写控制

对于电路板中含有存储器的，通过读写控制，可以判断电路板上控制线、数据线和地址线的好坏，可排查虚焊、短路和芯片功能失效的问题读写控制可采用串口工具，也可借助专用的Trace32 调试软件来实现。若采用Trace32 的调试软件时，发生数据跳动，证明该存储器器件存在虚焊。如果出现写入和读出的数据不一致时，按照控制线、地址线、数据线的顺序依次排查。当写入和读出数据一致时，也不能判断出完全没有问题，因为读写控制一般不是全空间覆盖，所以也只能为一个辅助的手段。