基于某数字系统的二次电源短路故障分析

阎 俊 张花妮 杨 怡 费月玲

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

数字系统在调试过程中，遇到二次电源短路的故障是非常棘手的问题。随着数字电路集成度越来越高，芯片管脚越来越密集，电路板生产的回流焊等过程中造成元器件管脚搭锡短路或者PCB板生产中出现相邻线条短路又或者在工作中器件失效造成二次电源短路等都很常见。对电路短路故障排查的研究一直是数字处理系统领域的研究重点。例如，文献[1]利用虚拟仪器Lab-View将硬件和软件互相整合，将待测印制电路板某区域加上一定电压的正弦波信号，然后利用电磁感应探头测量印制电路板的电磁场密度分布情况，从而获取电路短路或开路的位置。文献[2]介绍了电路板短路点查找的拆机割线、电阻测量、发热测量及专用设备测量等方法，并对几种方法的优缺点进行了对比，总结了各种方法的适用情况。文献[3]利用Lab-View仿真了PCB电路板短路与断路的检测识别，实现了图像采集和短路与断路检测。文献[4]介绍了造成电路板短路可能原因，对应用ICT技术、短路定位分析仪和热成像电路板检测技术分析短路的优缺点进行比较，提出结合几种方法综合应用，可有效地排除电路板短路故障。

本文基于某炮兵履带式侦察车数字系统在调试中出现的二次电源短路问题，分析了调试中排除电源短路故障采取的常见方法。通过建立故障树分层次总结了每一步故障产生的可能原因以及如何准确定位故障点。

1 现象描述

某炮兵履带式侦察车数字系统由1块印制板(14层)和面板、冷板组成。印制板主要由1片AD9251芯片(两路AD)、2片TMS320C6416(1GHz)数字处理芯片、1片Spatran-6(LX100T)和1片Virtex-5(SX-95T)FPGA芯片、时钟AD9512芯片、对外串口、复位电路以及其他外围电路组成。主要完成对单脉冲Σ、Δ两个波束目标回波的A/D采样、数字下变频、低通滤波及抽取、脉压、MTD、求模、CFAR检测(仅Σ通道)、测角等功能。对判定后的目标信号进行多普勒频率分辨测量、距离分辨测量、角度分辨测量，并实时输出距离、方位、多普勒频率、幅度、时间戳等目标信息，传送给终端。此外，该系统还负责产生系统所需要的各种时序信号，控制其他各分系统(微波系统、询问机和伺服系统等)协调有序的工作。

该数字系统在通电调试之前需要对板卡上的二次电源进行对地阻抗测试，通过CPCI插头供电，供电电压为DC5.0V/限流3.5A。为了保证供电安全，保护待调试的产品，通电前用数字三用表测试数字电路板上的二次电源测试点，逐一检查各个测试点是否对地短路，如果短路先排除故障后再进行下一步调试。每个测试点基本上都设置在PCB板上电源转换模块的输出端。图1所示为该数字系统二次电源测试点位置分布图。其中各测试点参考值与测量值如下表1所示：V1P2(1.2V)、V3P3(3.3V)两个电源测试点对地阻抗测量值约为0Ω，与参考值偏离较大，该测试结果阻断调试进一步进行。

表1 二次电源测试点说明

2 机理分析

2.1 故障树分析

上述现象模拟5V电和数字5V电采用单台稳压直流电源同时提供，通电前需设置稳压直流电源的输出电压为+5.1V±0.1V(负载电流为5～7A，考虑到电源线上的压降大约为0.1V)，并用三用表复查。

为了精确地进行故障原因分析，将二次电源1.2V与3.3V对地无阻抗作为故障树的顶级事件，建造故障树如图2所示。通过对PCB板外围电路分析，分三步逐项采用X1～X3方法进行排查。

2.1.1 常规排除法

常规排除法是数字系统调试最常用的一种方法，借助于数字系统设计的各类图纸，依照故障现象逐项进行排查。对于多层电路板，图2中X1-1分枝采取查阅二次电源供电分布PCB电路图，在计算机上利用看图软件(如Cadence/Protel等)观察二次电源电路设计分布图，选择短路的网络，电路软件会突出显示相应的导线，看什么地方离的最近，最容易被粘连到一块。通过查阅该数字系统硬件电路设计PCB图，得知1.2V与3.3V供电于绝大多数集成芯片，采取常规排除法故障难以定位。

另外，经X1-2主观因素分析得知常规排除法对于模拟电路的故障定位相对较准确。对于数字电路板，尤其是以信号处理芯片为核心、集成度高的复杂数字电路故障直接定位涉及相对较少。随着电路板数字化程度越来越高，数字电路板在雷达数字处理系统中占有很大的比例。电路板中数字芯片集成度高，且对外界来说主要是输出信号，直接从外界通过PCB图纸观察激励信号非常困难。而且，数字集成芯片是整个电路板的核心，一旦芯片工作不正常，将导致整个处理系统瘫痪，仅通过电路板硬件设计图纸很难定位故障。

2.1.2 显微镜/X-ray

数字集成电路的发展从封装来看，体积越来越小，但引脚数却越来越多。印制电路板作为各种数字系统的电气和结构支撑，也正朝着设计层数增加，布局布线密度变大，信号工作频率提高的方向发展。如何快速准确地定位由于集成芯片管脚虚焊、漏焊造成的系统故障成为数字系统调试所面临的最主要问题。

常见的如PQFP[5]封装芯片(如图3(a))，引脚总数较多，引脚之间距离较小、管脚很细，而且沿用离线编程，各工序交接中极易造成芯片损伤。调试中此类芯片出现较多的漏焊、管脚粘连等问题。又如QFP[6]封装芯片(如图3(b))，焊接工艺要求极高，管脚易粘连，此封装年代久远，大部分出现在老产品中，将被淘汰。图3这两种常见封装芯片因为虚焊、漏焊、管脚粘连引起的故障最适合通过显微镜观察处理。

又如BGA[7](Ball Grid Array，球栅陈列)封装，该技术采用焊球和焊料焊接方式，其焊球隐藏在封装本体下方，随着电子产品向小型化方向的不断发展，其所对应的印制电路板焊盘尺寸设计也逐渐向小型化调整。BGA封装间距减缩小致使此类芯片短路或空焊问题在BGA组装焊接中频繁出现。BGA短路问题主要采用的是X-ray检测技术。一般的2D X-光机器主要针对BGA短路问题做有效检测，而5D X-光机器则针对BGA封装的空焊等做有效检测。

图2故障树X2-1中通过显微镜排除大多数集成芯片管脚的虚/漏焊问题。对于2片TMS320C6416数字处理芯片则需要借助X-Ray进行2D透视扫描观察焊盘球形焊点是否粘连来判断是否引起电源短路。另外，分枝X2中存在X2-2的缺点，且费时费力，而且X-光机器的昂贵价格使得大多数生产调试现场无法满足需求。通过X2步骤观察分析，短路故障仍未能定位。

2.1.3 短路测试仪

短路测试仪是查找短路的专业仪器，它的工作原理是往短路线路中施加特定的电波信号，再利用电波捕捉笔进行跟踪识别定位。短路测试仪具有明显的声光指示功能，可以方便地检测出电缆或印制板上电子元器件焊接后有无短路存在，在测试棒接近短路点时，音量随之增高。通过X1～X2步骤未能定位二次电源短路故障，在X3中启用短路测试仪。首先，查看电路图。在PCB印制板上四个角找到任意1.2V和3.3V电源正极和接地点，框定短路区域的大致范围；其次，焊接1.2V和3.3V电源正负导线(分四组，每组正负各2条导线，共16条线)，做好测试前准备工作；最后，连接短路仪测试线。测试仪上分别设置待测短路电压1.2V和3.3V，接通后测试仪很快将1.2V和3.3V短路点定位到X3-1其中一片数字处理芯片上。关闭短路测试仪，恢复PCB印制板并送去表贴车间对短路处芯片强行拆除，拆除后用三用表复查图1中的二次电源1.2V和3.3V测试点，对地阻抗测量值分别为31.5Ω和367.2Ω。

TMS320C6416(1GHz)芯片价格昂贵，调试中尽量避免对芯片进行报废。本文最终将故障定位在该芯片上，通过对芯片自身各3.3V和1.2V阻抗进行测量，结果如X3-2所示，只能报废。

2.2 DSP芯片短路分析

基于2.1中故障树分析，将二次电源短路问题定位在DSP信号处理芯片TMS320C6416自身短路上。针对该芯片在调试过程中遇到的常见问题，分析短路及空焊的可能原因如下:

1)BGA短路及焊接工艺技术不当

图2中X3-1短路芯片独特的BGA封装决定了焊接工艺的高标准。由于在高温加热过程中，BGA封装下的焊球和PCB印制板上的焊料均会呈现融融状态，受BGA重力影响，原本成球状或柱状的焊球会随着状态的转变而呈现扁平向外扩张状态，此时原本间距就很小的两个焊球很容易融在一起，造成焊接上的X3-1-1短路问题，如图4所示。

一般情况下此类焊接短路问题可以直接通过2D X-光机观察，若出现两焊球粘连短路可拆除芯片重新焊接。

2)BGA芯片储存损伤

数字系统PCB印制板生产转调试之前，首先在表贴车间对DSP芯片进行焊接，要求BGA的焊球外观圆润和光亮，焊球不能有发暗、发黑和变色等现象。而在实际的生产加工过程中，往往会因为图2中X3-1-2的问题造成焊球氧化。如果BGA焊球表面被氧化，在焊接过程中，氧化膜会阻碍焊料和BGA锡球焊接在一起，造成空焊。由于BGA芯片的昂贵价格，此类焊球氧化的BGA一般会做返修处理，最安全的方式是重新植球，其次是在焊球表面涂助焊剂重新回流，使用助焊剂去除锡球表面氧化层降低焊接不良率。

另外，如果BGA封装器件受潮，在回流焊后通常也会出现短路问题。当植入的焊球受潮，水分在回流加热时以气态方式挥发，会有爆米花效应造成焊接短路。当焊球暴露在空气中，其本身吸收水分的能力有限，而BGA封装极易受潮，在回流加热时，受潮本体中的水分快速挥发会造成器件本体芯片的变形，进而造成BGA器件焊接不良。

因此，采购回的BGA封装芯片必须进行真空包装并控制其储存条件，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数字信号处理芯片是TI公司的高性能数字处理器。只要生产焊接环节不出现问题，调试中在线程序编辑通常是不会出现问题的。本文中故障定位在该芯片的电源自身短路问题上，说明芯片在装配焊接之前是不合格的。图2故障树X3-1-3与X3-2部分在本文数字系统某个批次产品中时常出现，后经质量部门介入调查并与芯片供应商协调后更换了整个批次不合格TMS320C6416芯片。

3 结束语

本文针对某炮兵履带式侦察车数字系统在调试中出现的二次电源短路问题，分析了调试中排除电源短路故障采取的常见方法。通过建立故障树分层次总结了每一步故障产生的可能原因以及如何准确定位故障点。总结如下:

1)常规排除法能解决绝大多数可编程器件因管脚虚焊、漏焊、粘连等引起的各类短路问题。但对调试人员的要求较高，必须熟练掌握电路设计软件及软件编程语言。

2)借助显微镜及X光机排除短路故障针对性较强，不同封装的可编程器件选用不同的仪器。短路测试仪可以方便的检测出电缆或印制板上电子元器件焊接后有无短路存在。但这些仪器成本过高，大多数生产现场很难满足要求。

3)引起DSP芯片短路的原因主要有BGA封装焊接工艺不当引起短路、芯片储存不当造成的损伤短路以及采购中供货商的不合格芯片。