高密度電路板輔助診療修理模式研究

孫建/江蘇金陵機械制造總廠

0 概述

高密度電路板在機載設備上應用廣泛，板上通常含有CPU、DSP、FPGA等超大規模集成電路和存儲器、總線驅動器等芯片，元器件大多采用貼片封裝。例如，某型雷達信號處理組件由主控計算機、數據交換模塊、DSP 模塊等多個高密度電路板組成，使用1 片i7-620 CPU、80 片DSP、2 型24 片隨機存儲器、3 型34 片數據存儲器等多種芯片。

機載設備通常分為雷達、顯示控制、電子戰等多個功能分系統，每個分系統的信息處理部件中均有大量的高密度電路板。高密度電路板的器件種類多、信號交聯復雜、貼裝工藝精密，故障板卡的修理難度大，已經成為限制機載設備不同功能分系統深修精修的普遍難 題。

1 修理難點

開展高密度電路板修理，需要修理人員掌握多種修理技能，如各類型集成電路的故障判定、片上程序的讀寫、復雜封裝的拆焊、檢測軟件設計等。這些修理技能專業特征明顯、技術含量高，要求修理人員全部掌握的難度較大。由于普通修理人員存在技能短板，以上單個環節出現的問題易成為各工位上高密度電路板的修理瓶頸。

實現全員的能力提升非一日之功，且要求所有修理人員都掌握全部修理技能的要求太高，既不現實也不經濟。如果針對高密度電路板修理的關鍵環節，組建專門的團隊來應對，建成類似醫院輔助診療的技術支持團隊，則能極大降低對修理人員知識儲備覆蓋面的要求，細化專業分工。

2 醫院輔助診療模式

醫院是深修精修的典范，不同的是醫院“修理人”、工廠“修理產品”，但都要求應修盡修、恢復狀態。現代醫院管理模式從20 世紀中葉發展至今，形成了極其細化的專業設置。目前，空軍修理工廠的工藝流程、工藝分工與醫院的專業設置有諸多相似，但在輔助診療團隊的設置上，醫院有獨到之 處。

綜合性醫院的輔助診療科室通常有醫學影像科、檢驗科、病理科等，可為各專業診室提供通用的技術支持。門診醫生不需要掌握CT 機操作技能和驗血技能，通過醫學影像科和檢驗科就能獲取高質量的結論、報告。這種設置細化了專業分工、提高了診斷效率，降低了門診醫生的綜合能力要求。

3 修理輔助診療模式

仿照醫院模式，在高密度電路板修理過程中設置輔助診療流程，能夠降低對部附件修理人員的能力要求，優化修理步驟。

機載設備修理的各工位遇到修理難題時，可以選擇對應的輔助診療團隊，通過委托單將故障電路板轉出進行針對性處理。類似于醫院門診部門委托輔助診療科室開展醫學成像、病理分析，輔助診療團隊可提供芯片檢測、軟件管理、器件拆焊、紅外對比等多種修理技術支持。輔助診療團隊將修理后的電路板或分析結果反饋給提出需求的工位，由工位進一步開展部附件的檢修。

4 修理輔助診療方法

4.1 圖樣測繪

信號分析是電路板修理的基本手段，圖樣是信號分析的必要條件。大部分高密度電路板的圖樣尤其是原理圖被研制單位視為核心技術，修理工廠無法獲取。高密度電路板通常是多層PCВ 板，由于芯片管腳密集且大量使用ВGA 等封裝，導致修理人員無法使用萬用表進行準確測繪。

通過使用工業CT 掃描技術，逐層探測PCВ 板線路走向，由人工查找線路連接關系，再匯總生成修理所需圖樣，能夠解決關鍵圖樣缺失的瓶頸問題。

4.2 可編程邏輯器件檢測

針對CPLD、FPGA 等可編程邏輯器件，將原工作程序隔離，自行編制檢測程序加載到器件中，利用檢測程序對周邊器件進行檢測。該檢測方法已有十余年的應用歷史，對于使用可編程邏輯器件為主控芯片的電路板修理效果明顯。

4.3 處理器檢測

CPU、DSP 等芯片具備復雜的控制和運算功能，應用此類芯片的高密度電路板的修理難度較大。除了研制單位預留的調試接口外，幾乎沒有太多可利用的修理方法，但調試接口的技術細節通常保密。

可行的修理方法包括監控啟動信號和隔離工作區塊。其中，處理器啟動有固定的流程，如加載外部存儲器的程序時，讀寫控制信號和數據流都有固定特征，監控這些關鍵啟動信號即可判斷處理器和存儲器是否存在問題；隔離工作區塊是指修改電路板原有的工作模式，如使用邊界掃描技術直接控制芯片的管腳輸出，或通過物理上的隔斷、跳線等操作，將電路板上的運算區、數據存儲區、總線驅動區脫離處理器控制，繼而對各個功能區塊進行檢測。

此外還有兩種待研究的檢測方法：一是利用板卡的并行總線進行檢測，需要熟練掌握總線協議，并自制接口電路；二是將工作程序替換為檢測程序，需要熟練掌握操作系統和應用程序編制。兩種方法較難實現，但實現后具有通 用性。

4.4 存儲器檢測

隨機存儲器、數據存儲器的異常狀態包括損壞或不穩定兩種，其中不穩定狀態較多出現于研制年代久遠的芯片，隨著工藝的不斷發展，存儲器的品質越來越穩定。

通過控制存儲器管腳的狀態，在存儲器的每個地址寫入差異數據，再讀取確認與寫入的是否一致，所有地址輪轉一圈或多次輪轉后就能確定存儲器是否工作正常。對數據存儲器實施讀寫操作的前提是必須完整備份原有數據。

4.5 軟件備份

隨著執行環境層軟件、平臺管理軟件、應用軟件等多層軟件在機載設備中的大量使用，在修理中對高密度電路板的軟件作備份管理極為重要。

更換含軟件的故障芯片需要事先得到備份數據。可編程邏輯器件利用JTAG 來讀取軟件。對可拆卸的存儲器芯片，通過通用編程器實現數據備份和燒錄。對不可拆卸的存儲器芯片，關閉電路板上其余芯片的使能控制，清空對總線的干擾，通過共用總線的總線驅動器將存儲器轉接到電路板對外接口，實現對存儲器數據的間接訪問。

4.6 器件拆焊

ВGA 封裝芯片無法通過手工對其拆解、焊接，QFP 等其他封裝芯片手工拆焊的效率和穩定度也無法與返修工作臺的自動操作相媲美。因此，返修工作臺在高密度電路板修理中的應用將越來越廣泛。

操作返修工作臺需要熟悉各類型封裝拆焊的溫度設置，儲備多種SMT鋼網。將返修工作臺集中管理，只需少量專業人員就能為各工位提供芯片拆焊服務。

4.7 紅外對比

通常電路板發生故障時，其板上熱耗分布會發生變化，通過紅外設備掃描故障板件和正常板件的熱成像，專業開展紅外掃描對照的工作組能夠建立紅外成像信息庫，為修理人員提供對比信息，從而為定位故障提供判斷依據。

5 輔助團隊規模

以上描述的技術環節可由多個輔助診療團隊開展研究、分工實施，每個輔助診療團隊根據工作量大小進行人員配置。多則10 余人，如圖樣測繪、處理器檢測團隊，少則2、3 人，如器件拆焊、紅外對比團隊。

6 結束語

與機載設備各分系統功能性的專業劃分不同，高密度電路板修理的專業劃分可轉變成為對不同信號分析思路、不同工藝操作方法、不同檢測調試手段的區別、細分。

輔助診療修理模式可以在多條路徑上拓展研究空間、形成解決思路，為機載設備深修精修提供專業的技術支撐，同時也避免因疑難故障導致電路板在普通工位上長期滯留，從而縮短修理 周期。