某型顯控設備液晶屏低溫環(huán)境下不亮故障分析

摘要：針對某型北斗終端顯控設備在低溫環(huán)境下液晶屏不亮故障進行分析排查，找出具體故障部位，結(jié)合電鏡掃描分析確認了故障產(chǎn)生的機理，提出改進方案，并進行了改進效果驗證，有效地解決了FPC柔性線路板金手指設計工藝缺陷，提高了設備的環(huán)境適應性和可靠性。

關鍵詞：液晶屏；FPC；金手指；電鏡掃描；化學沉金；電鍍金

Keywords： LCD screen；FPC；golden finger；scanning electron microscope；chemical gold precipitation；electroplated gold

0 引言

為了給某系列武器裝備展開階段提供快速準確的定位定向基準，為裝備作戰(zhàn)使用過程提供精確穩(wěn)定的時間信號和信息，提供北斗短消息通信、導航手段，擺脫對全球定位系統(tǒng)（GPS）的依賴，研制了某型軍用北斗終端設備。該終端設備由主機、顯控設備、天線及配套電纜組成，其中，顯控設備用于裝載電子地圖數(shù)據(jù)、顯控軟件，實現(xiàn)定位、定向、導航和北斗短信息的應用操作。該系列裝備型號多樣，部署地域廣泛，所處的自然環(huán)境差異大。最冷的地區(qū)最低氣溫達-48℃、地面溫度達-53℃，最熱的地區(qū)最高氣溫達+47.6℃、地面溫度達+75℃，最大相對濕度達95%[1]，故對北斗終端設備的環(huán)境適應性、可靠性有很高的要求，需要經(jīng)過嚴酷的環(huán)境、可靠性試驗考核。

1 故障情況

被試北斗終端顯控設備在可靠性鑒定試驗第一循環(huán)低溫工作測試點（先進行-55℃保持4h，升溫至-40℃保持4h）通電測試中液晶屏不亮，關機后重啟電源液晶屏仍不亮，恢復常溫后再次重啟電源，故障消失。

被試產(chǎn)品在參試可靠性鑒定試驗之前，陸續(xù)通過了環(huán)境應力篩選、環(huán)境摸底試驗和環(huán)境鑒定試驗（包括高低溫貯存和工作、濕熱、隨機振動、沖擊等試驗）、常溫426h可靠性拷機及電磁兼容性試驗。

2 故障定位及分析

為了便于分析問題，查找故障原因，首先梳理出顯控內(nèi)外部信號鏈路關系，如圖1所示。

顯控設備由主板、FPC柔性線路板（下稱“FPC排線”）、液晶屏及殼體組成。顯控設備的輸入數(shù)據(jù)和電源信號由北斗終端設備主機通過顯控電纜送入，顯控設備主板加電后，主板上的CPU程序啟動，通過接口芯片將電源、接口數(shù)據(jù)和時鐘信號從FPC柔性線路板傳送到液晶屏上，時序匹配后液晶屏點亮。其中，連接主板和液晶屏的FPC排線為39PIN，第10、27、29腳是主板的接口芯片輸出電源，第12、13、15、16、21、22、24、25腳是主板接口芯片輸出的MIPI數(shù)據(jù)信號，第18、19腳是主板輸出的時鐘信號，其他點未用。

由液晶屏工作原理可知，電源、MIPI信號、時鐘信號任意一個不正常都會造成液晶屏不亮，即以下多種原因均可導致液晶屏不亮：主機供電異常、顯控主板異常、液晶屏本身故障和顯控FPC排線異常，故障樹如圖2所示。根據(jù)顯控工作連接示意圖和故障樹圖進行逐項故障排查。

2.1 主機供電故障檢查

北斗終端設備主機提供直流5V電壓，經(jīng)過顯控電纜傳輸?shù)斤@控設備內(nèi)部電纜，為顯控主板供電。將被試主機、顯控電纜放入高低溫箱內(nèi)，與箱外的顯控設備連接后，按照故障發(fā)生時的環(huán)境條件進行試驗，即-55℃貯存保持4h升溫至-40℃保持4h，主機加電后使用萬用表測量顯控內(nèi)部電纜連接顯控主板端有5V電壓，并且檢測到顯控主板內(nèi)的軟件已發(fā)送讀卡指令到主機上。上述測試過程證明顯控液晶屏在低溫不亮時，北斗終端設備主機已給顯控主板加電成功，且顯控主板的操作系統(tǒng)已正常工作，因此排除底事件X1、X2、X3。

2.2 顯控主板故障檢查

采用將主板單獨放置在低溫環(huán)境下工作的方法進行排查。由于原FPC排線過短，故按照相同工藝訂制了30cm長的FPC排線（見圖3），將顯控設備的主板、液晶屏隔離分別放置于高低溫箱內(nèi)外，排查顯控主板是否故障。

降溫至-55℃保持4h，升溫至-40℃并保持4h，從第5h開始每隔半小時通斷電3次，每次加電液晶屏都亮，主板都能正常工作，持續(xù)3天未發(fā)現(xiàn)故障。液晶屏正常顯示時，測量主板插座輸出端的電源信號、MIPI信號、時鐘信號波形，都正常，說明主板沒有故障，排除底事件X4、X5、X6。

2.3 顯控液晶屏故障檢查

將主板和液晶屏在高低溫箱內(nèi)外互換，試驗排查液晶屏是否故障。采用與主板相同的排查方法進行試驗測試，被試液晶屏未發(fā)現(xiàn)故障，排除底事件X7、X8。

2.4 FPC排線故障檢查

排除主機、顯控主板、液晶屏故障后，初步確定使用的FPC排線發(fā)生了故障。對X9、X10、X11等3個底事件逐一排查。

首先使用萬用表分別在常溫及-40℃環(huán)境下測量FPC排線每個端子的通斷，每個金手指兩端都導通。正面FPC柔性排線導通正常，排除底事件通斷故障X9。

這樣，故障部位就孤立在FPC排線兩端的金手指。金手指是主板插座/液晶屏插座與柔性排線的連接部件，由多個金黃色的導電觸片組成，因其表面鍍金而且導電觸片排列如手指狀而稱為“金手指”。進行排查時重新安裝了原 FPC排線，在低溫下多次試驗故障均未復現(xiàn)。但肉眼觀測FPC排線兩端的金手指（與主板、液晶屏插座的壓接處）均有小凹坑，使用普通放大鏡觀測發(fā)現(xiàn)，接主板金手指的凹坑比較明顯，如圖4所示。

嚴重的凹坑可能會引起與主板的插座壓接簧片接觸不良，故進行深入排查。多次重新拆裝FPC排線金手指與主板端插座，每拆裝一次進行一次通電操作，結(jié)合低溫環(huán)境觀察液晶屏是否點亮。連續(xù)兩天出現(xiàn)兩次液晶屏不亮，保持不亮時的狀態(tài)不變，重新斷電重啟仍不亮，恢復常溫時通電恢復正常。此時使用示波器測量各管腳的信號波形，發(fā)現(xiàn)兩次都是FPC排線第13腳接主板端的MIPI數(shù)據(jù)信號不正常（主板插座上該點的信號正常），導致液晶屏收不到該信號。示波器測試結(jié)果如圖5所示。

2.5 故障定位

根據(jù)排查情況分析，確定故障為主板插座與FPC排線接主板金手指第13腳連接不可靠造成液晶屏不亮。為了進一步驗證故障定位是否準確，對FPC排線金手指凹坑進行電鏡掃描，放大1000倍（見圖6）后觀察，每個金手指都出現(xiàn)凹坑、不同程度的斷裂和絕緣物沾染，F(xiàn)PC排線接主板插頭金手指第13腳凹坑最為嚴重，出現(xiàn)貫穿性斷裂，內(nèi)部鍍金層大量斷裂并脫落，絕緣物沾染面積超過40%，導致該點與主板插座的金屬簧片處于連接不可靠的狀態(tài)。

3 故障機理分析

本顯控設備采用的FPC排線屬于柔性印制線路板，簡稱軟板，是用柔性的絕緣基材（如聚酯薄膜）制成的印刷電路，可自由彎曲、卷繞、折疊，可依照空間布局要求安排，并在三維空間任意移動和伸縮，從而實現(xiàn)元器件裝配和導線連接的一體化[2]。FPC排線具有配線密度高、結(jié)構(gòu)靈活、重量輕、耐熱性好和抗氧化保護能力強等特點，主要用于人造衛(wèi)星和航天飛機的儀器儀表盤、電子屏蔽系統(tǒng)、魚雷、導彈、火箭的控制系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)等方面[3]，電腦上也有不少地方用到FPC，如硬盤驅(qū)動的連接電纜和帶狀引線、筆記本電腦的主板與液晶顯示連接等[4]。

在設計時FPC排線金手指的表面涂（鍍）層工藝采用的是化學沉金工藝，該工藝特點是通過化學反應使金粒子結(jié)晶附著到FPC板的焊盤上，易焊接，但金層偏軟、薄、附著力弱，不耐磨，適合焊接的連接方式，不適合壓接的連接方式。而本顯控設備FPC排線與主板、液晶屏的插座采用的是壓接連接方式，壓接示意圖如圖7所示。FPC排線金手指與插座壓接簧片壓接后，金層持續(xù)受到壓力，經(jīng)過振動和高、低溫等環(huán)境應力后，金層慢慢出現(xiàn)凹坑和斷裂，時間越長凹坑越大，金層裂紋也越大，裂化為小金塊并脫落，金層底部的絕緣物溢出到凹坑內(nèi)部，造成與插座壓接簧片之間的連接不可靠。金手指常溫下已出現(xiàn)凹坑變形，在低溫條件下，顯控FPC排線的金手指與插座壓接簧片因冷縮導致連接斷開，造成主板與液晶屏之間的MIPI信號中斷，出現(xiàn)了斷路故障，導致液晶屏在低溫不亮。

4 改進措施及驗證情況

按照GJB7548-2012要求，顯控設備所使用的FPC排線屬于GJB7548-2012中的板邊連接器類，在采用壓接的連接方式時，經(jīng)分析論證應使用附著力強、金層厚度厚、耐磨性和導電性能更好的電鍍金（硬金）工藝。根據(jù)上述分析，開展設計更改，將顯控設備FPC排線金手指的表面涂（鍍）層處理工藝由化學沉金工藝更改為電鍍金工藝，要求金手指部位先鍍鎳再鍍金，鍍鎳厚度大于2.5μm，鍍金厚度大于1.3μm；管理上將新工藝的顯控設備FPC排線按照重要件進行管控。

按照新工藝加工生產(chǎn)了FPC排線，新FPC排線的工作溫度范圍為-65℃～+125℃，按照GJB7548-2012中要求進行溫度沖擊，滿足規(guī)范要求和顯控設備的工作環(huán)境溫度要求。新舊FPC排線都是由銅箔基材、保護膜、鍍鎳層組成，區(qū)別是金手指導電薄膜表面鍍金工藝更適合壓接方式，理論上更能滿足各試驗的振動應力。通過以下手段驗證了工藝改進的效果：首先選擇兩臺顯控設備分別裝入新舊FPC排線，按照GJB 1032-90隨機振動功率譜密度圖進行10min隨機振動，按照GJB 150A公路運輸環(huán)境圖譜進行三軸向各1h隨機振動，分別對振動試驗后的新舊FPC排線金手指進行電鏡掃描，選取FPC排線接主板、接顯示屏金手指第13腳，新舊工藝方法的電鏡掃描照片如圖8、圖9所示。

經(jīng)過相同的環(huán)境應力后，電鍍金工藝的金手指壓接部位只有淺壓痕，沒有出現(xiàn)凹坑、斷裂等損傷現(xiàn)象，而化學沉金工藝的金手指出現(xiàn)了明顯的凹坑、金層斷裂等損壞現(xiàn)象，說明工藝改進措施準確有效。改進后的顯控設備通過了805h的可靠性鑒定試驗。

5 結(jié)束語

此次北斗終端顯控設備液晶屏低溫下不亮故障的主要原因是對于板邊連接器類FPC柔性印制板金手指的表面涂（鍍）層工藝及應用掌握不充分，沒有嚴格按照國軍標要求開展設計，從而造成表面涂（鍍）層工藝的選擇不當。通過深入分析研究和試驗驗證，改進后的FPC排線金手指電鍍金工藝有效地解決了低溫下液晶屏不亮的問題，保證了北斗終端顯控設備的環(huán)境適應性和可靠性。

參考文獻

[1]段楠楠，等. 地空導彈裝備環(huán)境適應性研究與分析[J]. 裝備環(huán)境工程，2009，6（6）：88-91.

[2]陳峰，王春. FPC技術(shù)在信息模塊中的應用分析[J].智能建筑與城市信息，2010（3）：92-94.

[3]李文圃. 撓性電路板的應用與發(fā)展[J]. 網(wǎng)印工業(yè)，2004（5）：8-11.

[4]余德超，談定生. 撓性印制電路板技術(shù)及發(fā)展趨勢[J]. 上海有色金屬，2006（3）：44.

作者簡介

馮云，高級工程師，主要從事裝備維修保障、國產(chǎn)化技術(shù)研究及北斗接收機加改裝等。