基于某數字系統的二次電源短路故障分析

閻 俊 張花妮 楊 怡 費月玲

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

數字系統在調試過程中，遇到二次電源短路的故障是非常棘手的問題。隨著數字電路集成度越來越高，芯片管腳越來越密集，電路板生產的回流焊等過程中造成元器件管腳搭錫短路或者PCB板生產中出現相鄰線條短路又或者在工作中器件失效造成二次電源短路等都很常見。對電路短路故障排查的研究一直是數字處理系統領域的研究重點。例如，文獻[1]利用虛擬儀器Lab-View將硬件和軟件互相整合，將待測印制電路板某區域加上一定電壓的正弦波信號，然后利用電磁感應探頭測量印制電路板的電磁場密度分布情況，從而獲取電路短路或開路的位置。文獻[2]介紹了電路板短路點查找的拆機割線、電阻測量、發熱測量及專用設備測量等方法，并對幾種方法的優缺點進行了對比，總結了各種方法的適用情況。文獻[3]利用Lab-View仿真了PCB電路板短路與斷路的檢測識別，實現了圖像采集和短路與斷路檢測。文獻[4]介紹了造成電路板短路可能原因，對應用ICT技術、短路定位分析儀和熱成像電路板檢測技術分析短路的優缺點進行比較，提出結合幾種方法綜合應用，可有效地排除電路板短路故障。

本文基于某炮兵履帶式偵察車數字系統在調試中出現的二次電源短路問題，分析了調試中排除電源短路故障采取的常見方法。通過建立故障樹分層次總結了每一步故障產生的可能原因以及如何準確定位故障點。

1 現象描述

某炮兵履帶式偵察車數字系統由1塊印制板(14層)和面板、冷板組成。印制板主要由1片AD9251芯片(兩路AD)、2片TMS320C6416(1GHz)數字處理芯片、1片Spatran-6(LX100T)和1片Virtex-5(SX-95T)FPGA芯片、時鐘AD9512芯片、對外串口、復位電路以及其他外圍電路組成。主要完成對單脈沖Σ、Δ兩個波束目標回波的A/D采樣、數字下變頻、低通濾波及抽取、脈壓、MTD、求模、CFAR檢測(僅Σ通道)、測角等功能。對判定后的目標信號進行多普勒頻率分辨測量、距離分辨測量、角度分辨測量，并實時輸出距離、方位、多普勒頻率、幅度、時間戳等目標信息，傳送給終端。此外，該系統還負責產生系統所需要的各種時序信號，控制其他各分系統(微波系統、詢問機和伺服系統等)協調有序的工作。

該數字系統在通電調試之前需要對板卡上的二次電源進行對地阻抗測試，通過CPCI插頭供電，供電電壓為DC5.0V/限流3.5A。為了保證供電安全，保護待調試的產品，通電前用數字三用表測試數字電路板上的二次電源測試點，逐一檢查各個測試點是否對地短路，如果短路先排除故障后再進行下一步調試。每個測試點基本上都設置在PCB板上電源轉換模塊的輸出端。圖1所示為該數字系統二次電源測試點位置分布圖。其中各測試點參考值與測量值如下表1所示：V1P2(1.2V)、V3P3(3.3V)兩個電源測試點對地阻抗測量值約為0Ω，與參考值偏離較大，該測試結果阻斷調試進一步進行。

表1 二次電源測試點說明

2 機理分析

2.1 故障樹分析

上述現象模擬5V電和數字5V電采用單臺穩壓直流電源同時提供，通電前需設置穩壓直流電源的輸出電壓為+5.1V±0.1V(負載電流為5～7A，考慮到電源線上的壓降大約為0.1V)，并用三用表復查。

為了精確地進行故障原因分析，將二次電源1.2V與3.3V對地無阻抗作為故障樹的頂級事件，建造故障樹如圖2所示。通過對PCB板外圍電路分析，分三步逐項采用X1～X3方法進行排查。

2.1.1 常規排除法

常規排除法是數字系統調試最常用的一種方法，借助于數字系統設計的各類圖紙，依照故障現象逐項進行排查。對于多層電路板，圖2中X1-1分枝采取查閱二次電源供電分布PCB電路圖，在計算機上利用看圖軟件(如Cadence/Protel等)觀察二次電源電路設計分布圖，選擇短路的網絡，電路軟件會突出顯示相應的導線，看什么地方離的最近，最容易被粘連到一塊。通過查閱該數字系統硬件電路設計PCB圖，得知1.2V與3.3V供電于絕大多數集成芯片，采取常規排除法故障難以定位。

另外，經X1-2主觀因素分析得知常規排除法對于模擬電路的故障定位相對較準確。對于數字電路板，尤其是以信號處理芯片為核心、集成度高的復雜數字電路故障直接定位涉及相對較少。隨著電路板數字化程度越來越高，數字電路板在雷達數字處理系統中占有很大的比例。電路板中數字芯片集成度高，且對外界來說主要是輸出信號，直接從外界通過PCB圖紙觀察激勵信號非常困難。而且，數字集成芯片是整個電路板的核心，一旦芯片工作不正常，將導致整個處理系統癱瘓，僅通過電路板硬件設計圖紙很難定位故障。

2.1.2 顯微鏡/X-ray

數字集成電路的發展從封裝來看，體積越來越小，但引腳數卻越來越多。印制電路板作為各種數字系統的電氣和結構支撐，也正朝著設計層數增加，布局布線密度變大，信號工作頻率提高的方向發展。如何快速準確地定位由于集成芯片管腳虛焊、漏焊造成的系統故障成為數字系統調試所面臨的最主要問題。

常見的如PQFP[5]封裝芯片(如圖3(a))，引腳總數較多，引腳之間距離較小、管腳很細，而且沿用離線編程，各工序交接中極易造成芯片損傷。調試中此類芯片出現較多的漏焊、管腳粘連等問題。又如QFP[6]封裝芯片(如圖3(b))，焊接工藝要求極高，管腳易粘連，此封裝年代久遠，大部分出現在老產品中，將被淘汰。圖3這兩種常見封裝芯片因為虛焊、漏焊、管腳粘連引起的故障最適合通過顯微鏡觀察處理。

又如BGA[7](Ball Grid Array，球柵陳列)封裝，該技術采用焊球和焊料焊接方式，其焊球隱藏在封裝本體下方，隨著電子產品向小型化方向的不斷發展，其所對應的印制電路板焊盤尺寸設計也逐漸向小型化調整。BGA封裝間距減縮小致使此類芯片短路或空焊問題在BGA組裝焊接中頻繁出現。BGA短路問題主要采用的是X-ray檢測技術。一般的2D X-光機器主要針對BGA短路問題做有效檢測，而5D X-光機器則針對BGA封裝的空焊等做有效檢測。

圖2故障樹X2-1中通過顯微鏡排除大多數集成芯片管腳的虛/漏焊問題。對于2片TMS320C6416數字處理芯片則需要借助X-Ray進行2D透視掃描觀察焊盤球形焊點是否粘連來判斷是否引起電源短路。另外，分枝X2中存在X2-2的缺點，且費時費力，而且X-光機器的昂貴價格使得大多數生產調試現場無法滿足需求。通過X2步驟觀察分析，短路故障仍未能定位。

2.1.3 短路測試儀

短路測試儀是查找短路的專業儀器，它的工作原理是往短路線路中施加特定的電波信號，再利用電波捕捉筆進行跟蹤識別定位。短路測試儀具有明顯的聲光指示功能，可以方便地檢測出電纜或印制板上電子元器件焊接后有無短路存在，在測試棒接近短路點時，音量隨之增高。通過X1～X2步驟未能定位二次電源短路故障，在X3中啟用短路測試儀。首先，查看電路圖。在PCB印制板上四個角找到任意1.2V和3.3V電源正極和接地點，框定短路區域的大致范圍；其次，焊接1.2V和3.3V電源正負導線(分四組，每組正負各2條導線，共16條線)，做好測試前準備工作；最后，連接短路儀測試線。測試儀上分別設置待測短路電壓1.2V和3.3V，接通后測試儀很快將1.2V和3.3V短路點定位到X3-1其中一片數字處理芯片上。關閉短路測試儀，恢復PCB印制板并送去表貼車間對短路處芯片強行拆除，拆除后用三用表復查圖1中的二次電源1.2V和3.3V測試點，對地阻抗測量值分別為31.5Ω和367.2Ω。

TMS320C6416(1GHz)芯片價格昂貴，調試中盡量避免對芯片進行報廢。本文最終將故障定位在該芯片上，通過對芯片自身各3.3V和1.2V阻抗進行測量，結果如X3-2所示，只能報廢。

2.2 DSP芯片短路分析

基于2.1中故障樹分析，將二次電源短路問題定位在DSP信號處理芯片TMS320C6416自身短路上。針對該芯片在調試過程中遇到的常見問題，分析短路及空焊的可能原因如下:

1)BGA短路及焊接工藝技術不當

圖2中X3-1短路芯片獨特的BGA封裝決定了焊接工藝的高標準。由于在高溫加熱過程中，BGA封裝下的焊球和PCB印制板上的焊料均會呈現融融狀態，受BGA重力影響，原本成球狀或柱狀的焊球會隨著狀態的轉變而呈現扁平向外擴張狀態，此時原本間距就很小的兩個焊球很容易融在一起，造成焊接上的X3-1-1短路問題，如圖4所示。

一般情況下此類焊接短路問題可以直接通過2D X-光機觀察，若出現兩焊球粘連短路可拆除芯片重新焊接。

2)BGA芯片儲存損傷

數字系統PCB印制板生產轉調試之前，首先在表貼車間對DSP芯片進行焊接，要求BGA的焊球外觀圓潤和光亮，焊球不能有發暗、發黑和變色等現象。而在實際的生產加工過程中，往往會因為圖2中X3-1-2的問題造成焊球氧化。如果BGA焊球表面被氧化，在焊接過程中，氧化膜會阻礙焊料和BGA錫球焊接在一起，造成空焊。由于BGA芯片的昂貴價格，此類焊球氧化的BGA一般會做返修處理，最安全的方式是重新植球，其次是在焊球表面涂助焊劑重新回流，使用助焊劑去除錫球表面氧化層降低焊接不良率。

另外，如果BGA封裝器件受潮，在回流焊后通常也會出現短路問題。當植入的焊球受潮，水分在回流加熱時以氣態方式揮發，會有爆米花效應造成焊接短路。當焊球暴露在空氣中，其本身吸收水分的能力有限，而BGA封裝極易受潮，在回流加熱時，受潮本體中的水分快速揮發會造成器件本體芯片的變形，進而造成BGA器件焊接不良。

因此，采購回的BGA封裝芯片必須進行真空包裝并控制其儲存條件，防止芯片受潮以及焊球氧化，有效的避免因芯片短路造成的故障。

TMS320C6416數字信號處理芯片是TI公司的高性能數字處理器。只要生產焊接環節不出現問題，調試中在線程序編輯通常是不會出現問題的。本文中故障定位在該芯片的電源自身短路問題上，說明芯片在裝配焊接之前是不合格的。圖2故障樹X3-1-3與X3-2部分在本文數字系統某個批次產品中時常出現，后經質量部門介入調查并與芯片供應商協調后更換了整個批次不合格TMS320C6416芯片。

3 結束語

本文針對某炮兵履帶式偵察車數字系統在調試中出現的二次電源短路問題，分析了調試中排除電源短路故障采取的常見方法。通過建立故障樹分層次總結了每一步故障產生的可能原因以及如何準確定位故障點。總結如下:

1)常規排除法能解決絕大多數可編程器件因管腳虛焊、漏焊、粘連等引起的各類短路問題。但對調試人員的要求較高，必須熟練掌握電路設計軟件及軟件編程語言。

2)借助顯微鏡及X光機排除短路故障針對性較強，不同封裝的可編程器件選用不同的儀器。短路測試儀可以方便的檢測出電纜或印制板上電子元器件焊接后有無短路存在。但這些儀器成本過高，大多數生產現場很難滿足要求。

3)引起DSP芯片短路的原因主要有BGA封裝焊接工藝不當引起短路、芯片儲存不當造成的損傷短路以及采購中供貨商的不合格芯片。