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            技術交流
            匯能客戶
                         
             
             
             

            _________________________________________________________________ 專 題 討 論 _______________________________________________________________

            無圖紙電路板故障檢測技術的進展

            總工程師 韓熔

             

            了解各種檢測方法的優劣,根據具體情況靈活選用,才是高手。本文從介紹當前各種檢測方法開始,然后討論其應用特點、存在哪些不足(有故障檢測不出來),引出Ver6.0的改進與發展。隨著器件封裝越來越小,實施測試日益困難,本文最后部分介紹了Ver6.0在實施測試方面的重大改進。

            本文面向對《匯能》測試儀感興趣的維修人士;不過,即使你沒有,也不打算添置Ver6.0,文中對測試方法的討論,也有助于用好其它測試工具。

            小提示:在界面上方單擊“視圖”,然后單擊“文檔結構圖”選中,在屏幕左側打開本文目錄,點擊其中標題可直接轉至標題所在處。

             

            1.當前測試方法及原理

             

            1.1概述:

            a.第一類

            1)使用萬用表電阻檔的電阻比對法;

            2)使用萬用表二極管檔的電壓比對法;

            3)使用一般電路維修測試儀的ASAVI)曲線比對法。

             

            這類方法獲得廣泛使用的主要原因是:

            • 測試不加電,不是根據電路工作原理進行故障檢測,適合維修測試通常沒有原理圖,或對電路板工作原理了解很少的情況;
            • 主要發現IC器件的“端口型”故障,維修中絕大多數屬于這類故障。

             

            b.第二類

            4)直接測試IC器件好壞。

             

            這種測試在維修中得到較多使用的原因與第一類相同。

             

            按照發現故障的能力,IC測試由低往高分為三個層次:端口測試、功能測試、性能測試;按照使用條件分為:

            • 在線測試:測試焊接在電路板上的器件。需要用測試夾夾在被測器件上進行測試。
            • 離線測試:測試脫離電路板的器件。鎖在測試座上進行測試。

             

            顯然,在線測試更適合維修檢測。在早期的電路板(以雙列直插式封裝、中小規模通用器件為主)檢測中,在線測試發揮重要作用,然而近年來,隨著器件封裝細小化,集成度越來越高,在線測試越來越難有用武之地,把器件焊下來進行離線測試漸成主流。

            第一、二類測試都屬于“間接”測試——不與電路板功能好壞“直接關聯”,需要通過其它辦法“驗證”檢修結果。

             

            c.第三類

            5)使用萬用表/示波器比對直流/交流電壓;

            6)使用信號發生器(信號注入)+使用示波器比對對注入信號的響應

             

            這類測試多用于在制造電路板的過程中的故障檢測。主要原因是:

            a)需要了解電路工作原理,才能確定如何給板子加電;才能定義施加、讀回的具體信號(電壓范圍、時序、頻率、相位等);

            b)這里較少使用第一、二類測試的原因是,電路板制造中主要是開、短路,錯、漏焊故障,不屬于第二類測試范圍,對第一類測試敏感程度低(故障檢出率低)。

             

            與一、二類測試相比,這類測試工作量小,并且是“直接測試”,所以,即使是維修測試,在有條件的時候(例如大量重復維修某種電路板),也應該盡量創造使用這類測試的條件。

             

            《匯能》Ver6.0中初步引入了這類測試方法。

             

             

            1.2測試原理

             

            a.萬用表測電阻的原理

             

            把一個直流電壓V,通過輸出電阻Ro,加在被測對象Rx兩端,產生流經回路的電流I。表頭把這個電流轉換成電阻顯示出來。測電阻時換檔就是切換Ro。

             

             

            下面是兩種萬用表電阻檔的基本參數:

             

            開路電壓V(不包括200兆檔):

            Fluk 勝利

            0.27V 0.5V

            勝利表的短路電流:

            0.2K

            2K

            20K

            200K

            0.3mA

            0.2mA

            0.05mA

            0.005mA

             

            特點:

            最大測試電壓小于PN結導通電壓,所以關聯的IC管腳不影響測試,這解釋了為什么多數情況下在線能測準;Fluke表的測試效果比勝利表好,背后原因應該是Fluke表的最大測試電壓小于勝利表。

            檔位越高(測大電阻),測試電流越小。

             

             

            b.萬用表二極管檔的測試原理

             

            從對兩種萬用表的外特征測試發現,二極管檔與電阻檔的原理相同,差別在于1.測試參數不同,2.顯示測試電壓。歸結出的測試參數如下:

             

             

            Fluke

            勝利

            開路電壓V

            2.4V

            2.5V

            串聯電阻Ro

            4.23K

            2.7K

            短路電流

            0.53mA

            0.9mA

             

            特點:

            測試電壓包括普通二極管、發光二極管的拐點電壓,所以能夠測試正向導通、反向截止的基本特征。

            測試電流大于電阻檔,但不是恒流,隨被測電壓增加而減小。

             

             

            c.ASA曲線測試原理

             

            ASA曲線測試大約自上世紀80年代后期,隨著“電路在線維修測試儀”這種測試設備引入國內。

             

            • 從靜態角度理解ASA曲線

              假設你有很多塊萬用表,每塊表的測試電壓都不一樣。用這些表測試同一個對象,測試到多組電壓、電流值。把這些值顯示在電壓-電流坐標上,得到它的VI曲線;顯示在時間-電壓坐標上,得到TV曲線。一般地,稱為ASA(模擬特征)曲線。

            • 從動態角度理解ASA曲線

            如果這些表的測試電壓遵循正弦規律,在確定時間內作用于被測對象,相當于把一個正弦電壓通過Ro加在被測對象。它的ASA曲線就是對該測試信號的直接響應。參見下圖:

             

            ASA曲線測試原理圖
            在時間-電壓坐標上的測試信號

             

             

            特點:

            • 在一個電壓范圍內而不僅僅是一個電壓點上進行測試;
            • 動態測試信號,可反映結點包含的容性、感性成份;
            • 一次測試產生多個測試數據,以曲線的形式顯示測試結果;

             

             

             

            下面是幾種“標準(非組合)曲線”。請記住這幾種曲線形狀。

             

             

            VI曲線
            TV曲線

             

            開路曲線:

             

            縱軸是電流。開路時電流處處為0,所以是水平線。

             

             

            縱軸是電壓。無負載時就是測試電壓信號本身的樣子。

             

             

             

            短路曲線:

             

            橫軸是電壓。短路時電壓處處為0,所以是豎直線。

             

             

            縱軸是電壓。短路時電壓處處為0,所以是水平線。

             

             

             

            電阻曲線:

             

            斜率=1/R

             

             

            電阻僅衰減電壓幅度

             

             

             

            電容曲線:

             

            容量影響橢圓面積。

             

             

            電容不僅衰減幅度,同時滯后電壓。注意曲線最高點被后移。

             

             

             

            硅二極管曲線:

             

            反向截止,電流基本為0;正向導通拐點在0.65V。導通后的電阻很小,電流很快上升。

             

             

            正向電壓大于拐點后被鉗位。低于導通電壓時由于電阻很大,測試信號基本不受影響。

             

             

             

            d.IC器件測試基本原理

             

            本部分內容在《電路板維修中的IC器件測試—《匯能》Ver6.0說明之二》詳細討論。這里僅作大致介紹。

             

            • 端口測試

            通過對比IC管腳ASA曲線實現測試,故障檢測能力相對最差;使用簡單、除了接觸不上外(BGA封裝)幾乎不受限制,可用于幾乎任何IC的測試(一般用于后兩種方法不能測試的器件),有人給它起了個很玄的名字——疑難器件測試。

            • 功能測試

            測試器件能否完成規定的電路過程,但不測試完成的“質量”,屬于“定性”測試。功能測試主要發現“損壞”型故障,不能發現性能變差類的故障。

            在電路維修測試儀上,功能測試范圍主要包括:邏輯器件(以74系列為代表)、運算放大器、光電耦合器、電壓比較器等。

            • 性能測試

            不僅測試器件能否完成規定的電路過程,而且測試完成的質量。性能測試通過測試器件參數實現,屬于“定量”測試。性能測試對硬件要求高、實現難度大、建庫內容多,主要用于器件入廠檢驗、性能篩選。由于性能測試是對付“水貨”、“翻新件”的最好辦法,近來在維修中逐漸得到重視。

            在同類產品中,《匯能》Ver6.0唯一實現了對IC主要直流參數的測試。這也是《匯能》測試儀硬件精度明顯高于同類產品的原因。

             

            2.第一類測試方法的應用特點及存在問題

             

            2.1另一種角度看電路板

            考慮到IC不加電就是一堆PN結的串并聯,從未加電的電路板的一個結點向四周看去,就只有電阻、電容、電感、PN結的一端(的并聯),其另一端也是同樣結構,如此下去,最終都匯集到接地點,所以,任何電路板的任何結點,都可看成不同參數的電阻、電容、電感、PN結的串并聯,圍繞它們討論如何測試即可。

             

            2.2應用特點

             

            a.測電阻vs二極管檔法

             

            • 由于測電阻的最大電壓小于PN結導通電壓,所以,對結點主要由PN組成的電路板(例如純數字板),人們更愿意用二極管檔;
            • 電阻檔的測試電流小于二極管檔。電流越小,越不容易達到直流穩定(讀數不穩定),容易把大電容測成短路。這解釋了測試電源板時(大電容、電感多),為什么二極管檔相對更好用。

            二極管檔僅是“發現”電容的能力強。目前缺乏“在線”測試電容、電感的手段。另外,如果測試信號改用“恒流”,效果會更好。

            • 二極管檔對結點中阻性成分的測試能力,遠遠不如電阻法。首先,測試電壓高,如果結點關聯IC管腳(PN結)會影響測試;即使沒有關聯IC管腳,由于測試電流不恒定,也很難估計阻值大小。電阻檔能準確測出電阻值。

            在檢測模擬板時,如果先用二極管檔不能發現故障,再用測電阻法試試。

             

            b. ASA曲線法vs測電阻和二極管檔法

             

            主要優點:

             

            • 電路維修測試儀上的ASA曲線測試信號幅度允許用戶設置,通常選擇等于或略大于IC工作電壓(小于最大額定電壓),能夠發現IC在工作電壓范圍內的PN漏電、導通不暢、軟擊穿等故障。參見下圖:

             

            接近1V時開始漏電

            大于6V軟擊穿。不影響5V使用。

            導通不暢

             

            考慮到常用的IC工作電壓標準,通常有幾個信號幅度,例如4V/7V/15V/28V(多數電路維修測試儀),可滿足要求!秴R能》測試儀有256個幅度,是為了滿足在線測試RCL參數、離線IC參數測試等高精度測試所需。

             

            • 交流測試信號包括頻率成分,測試包含有容性、感性的結點效果更

             

            ASA曲線測試不加電,所以這個頻率與電路或器件工作頻率無關,主要考慮:

             

            1)對于在常用大小范圍內的電容、電感,配合輸出電阻,能夠得到有測試意義(橢圓面積不為0)形狀的曲線。例如,100微法的電容,在1K頻率下的等效阻抗=1/2πfC= 1.6歐姆。接近短路。這是新手在檢測電源板時容易出現的問題;

             

            2)測試速度不能太慢。例如,頻率5赫茲時,2個測試周期將需時400ms。

            頻率在十幾到數百赫茲之間即可滿足ASA曲線測試的要求。

             

            • 多數情況下交流穩定比直流穩定更容易達到,所以ASA曲線測試比萬用表測試更容易得到穩定測試結果;
            • 人對曲線的記憶、識別能力比數字更強。

             

            2.3存在的問題——為什么電路板有故障檢測不出來

             

            a. IC的非端口型故障

             

            由于這類測試不加電,IC等同于大量PN結的組合,如果故障沒有發生在與IC輸入/輸出管腳直接相連接的PN結上(例如存儲器中出現壞位),將檢測不出來。不過,在維修中這類故障較為少見。

            這種故障可用器件功能測試、參數測試檢測出來。

             

            b. IC性能下降、或者劣質IC導致的故障

             

            這類故障要在IC加電工作時才能表現出來。這類故障在維修中較為少見。

            這類故障通過IC性能測試才能檢測出來。

            由此可知,ASA曲線測試不適用于IC的入廠檢驗。有國外產品把ASA曲線測試儀稱為集成電路測試儀,可用于IC篩選,從技術方面說不夠恰當。

             

            c. 高阻抗支路問題

             

            一個電路結點通常由若干個支路組成。結點總阻抗由每個支路的阻抗并聯而成。并聯的規律是:阻抗越小,對總阻抗影響越大;反之影響越小。發生同樣比例的變化(對電路影響程度相同),小阻抗支路的容易發現,高阻抗支路容易被忽略過去。

            假定一個結點由1K100K電阻并聯而成,結點總電阻= 1K100K = 0.99K;若1K電阻減少20%0.8K,總電阻=0.8K100K = 0.79K;若100K減少20%80K,總電阻= 1K80K = 0.988K。

             

             

            再舉兩個實際例子。

             

            實例1:參見下面兩個結點的ASA曲線

             

             

             

             

            前面結點有一個約15K電阻,后者沒有。在PN正負向導通之后,導通電阻很小,完全“淹沒”了這個電阻;這個電阻只能在0電壓點附近(兩拐點之間,PN結電阻遠大于15K)呈現出來。但由于這段曲線所占比例很小,可用于顯示的點數更是有限,最終如上圖所示,兩條曲線整體形狀相差不多——故障被掩蓋。

            上述分析能夠解釋有人用ASA曲線沒有發現故障,然后用萬用表細細測,最終解決了問題——應該屬于這類問題。

            有的測試儀企圖通過增加測試點數(曲線分辨率)來提高ASA曲線測試精度,顯然無用。因為0點附近可供顯示的點數太少,多余的測試數據重疊在一起,結果沒有變化。

            把整個曲線放大效果也有限。因為是按比例放大,0點附近占整條曲線比例不變,曲線誤差保持不變。除非在0點附近測試很多點,再放大顯示,才能較好揭示出0點附近的電特征。

             

            實例2:電感并電容

            如果用萬用表測試,由于電感的直流電阻很小,很容易掩蓋電容的存在。

             

            d.ASA曲線測試——數據轉為曲線導致精度降低

             

            參見下圖。

             

            0.1K vs 0.15K

            1K vs 1.5K

            10K vs 15K

             

            三個圖中電阻值的變化比例相同,這意味著故障程度相同,但顯示出來的曲線差異明顯不同。在實際檢測中,很容易認為中間結點有問題,右邊結點沒有問題。

            實用中要選擇測試參數,使測得的曲線趨于45度。

             

             

            3.《匯能》Ver6.0關于第一類測試方法的改進與發展

            總結一下上面的討論:ASA曲線法無疑應用效果最好,一般應該首先用ASA曲線檢測。但尺有所短,寸有所長,ASA曲線法并不能完全取代另外兩種方法,所以Ver6.0對三種方法都有所改進,有所發展。

             

            3.1 ver6.0關于測試方法的改進和發展

             

            a.增加了在線測電容、電感參數。彌補了以前在線只能測電阻的不足;

             

            b.增加了小信號曲線來揭示0點附近的電特征

             

            小信號曲線的信號幅度0.2V。除了揭示0點附近的特征外,小信號曲線一個重要作用是反應在線測試RCL時是否受到干擾:如果小信號曲線屬于“標準曲線”,說明未受干擾,測試結果準確;否則說明測試受外電路干擾,測試結果不準確。

             

            c.把二極管檔法測試信號改進為恒流,效果更好。

             

            3.2 ver6.0上關于三種測試方法的實現方式

             

            a.測試RCL時自動換檔

            在檢測電路板上的RCL元件時,如果需要根據被測元件的大小,選擇合適的測試檔位才能進行測試,想想都十分不方便。Ver6.0在測試范圍內自動換檔。與自動萬用表一樣。

             

            b.自動識別結點電特征

            實際測試前先進行預測試,判斷結點的主要特征成分為阻性/容性/感性,根據判斷結果進行相應測試。

             

            c.整合三種測試方法

            檢測電路板時,理論上最好用三種方法都測,但如果三種測試在不同的地方完成,測試工作量會很大,實際上很難做到;另外,如果測試結果之間能夠方便地相互參照,會進一步提高測試有效性。

            Ver6.0將三種測試作為選項整合在一個測試功能中,稱為“iASA”——改進的ASA測試,可以選擇一次三項都測,或者測試其中一、或兩項。測試結果同時顯示在一起。

            為了得到“在線”測試RCL能力,測試信號必須很。ā秴R能》曲最大0.2V)、一次完成多種測試導致交/直流信號反復切換,測試狀態難于穩定,這些都會影響到測試RCL精度、整個測試速度!半x線”測試RCL時,建議使用其它測試測試工具,如電橋,精度最高,測得最準。

             

             

            3.3 Ver6.0iASA測試示例

             

            0.1K電阻
            普通二極管

             

             

            實測結點
            2.2u電容

             

             

            以上就是2.3c中實例1iASA曲線

             

             

            電容并二極管
            電容串二極管

             

             

            10u電容并1K電阻:
            按電容測試
            按電阻測試

             

             

            10u電容串1K電阻
            按電容測試
            按電阻測試

             

             

            4.《匯能》Ver6.0對實施測試的改進

            封裝不斷細小化導致實施測試越來越困難——效率越來越低,測試難度越來越大。Ver6.0提供以下解決辦法。

             

            4.1通過定制轉接板,實現對電路板接口關聯器件的快速測試

            如果測試儀有模擬通道,通過轉接板連接模擬通道與電路板的外接插件。參見下圖:

             

             

            這樣,就能快速測試與插腳關聯的器件——接口器件。由于接口器件屬于故障高發區,這種測試方式相當有使用價值。一般的電路維修測試儀都能實現這種測試方式。

            測試儀的模擬通道越多,支持越多管腳的插件。這是高端測試儀配備較多模擬通道的主要原因。

             

            4.2控制機械手組成半自動測試系統

            播放視頻文件《飛針測試視頻.avi》。

             

             
             
             

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