設備儀器的軟故障維修

付少輝，林升，邵強

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊050051）

設備儀器的軟故障維修

付少輝，林升，邵強

（中國電子科技集團公司第十三研究所，河北石家莊050051）

儀器設備軟故障主要由元器件參數變化、環(huán)境變化、軟擊穿等引起，具有隨機性、隱蔽性等特點，給儀器設備的維修帶來了一定困難，傳統(tǒng)的檢測方法不易發(fā)現存在軟故障的元件。本文結合維修實例對軟故障的表現形式、形成原因及失效機理進行分析，提出了新的檢測方法、建立了相應維修手段，方便維修人員準確快速地完成該類故障儀器的維修，保證維修進度和質量。

儀器維修；軟故障；故障診斷

儀器設備的故障可分為硬故障和軟故障兩類。硬故障也叫結構性故障，是指影響電路拓撲結構的故障，電路不能實現其功能；軟故障也叫參數性故障，是指元件性能達不到指標要求，超過了該元件參數的容差范圍，電路不能很好的完成其功能［1］。

軟故障有以下特點：工作狀態(tài)下時而正常時而故障，呈間隙性、隨機性；元件拆機測量時正常，接回電路后不能正常工作，有隱蔽性；故障發(fā)生后斷電放置一段時間再開機又能正常工作，有暫態(tài)性?；谝陨想y點致使維修困難，目前尚無系統(tǒng)的維修資料，本文提出了新的元件檢測和維修方法，對軟故障的判斷和維修有一定幫助。

1　常見的軟故障及原因分析

發(fā)生硬故障時，指標變化明顯容易檢測。軟故障為元器件本身或電路在某方面的容限太小而引起的不穩(wěn)定現象。設備儀器中的模擬電路部分的元器件存在較大容差和廣泛的非線性，為軟故障多發(fā)部位［2］，據統(tǒng)計，在混合電路中80%是數字電路，但80%的故障發(fā)生在模擬電路部分［3］。常見的軟故障及形成原因參見以下分析。

1.1接觸電阻

因機械壓力使兩導體接觸對外呈現的電阻特性稱為接觸電阻，如接插件、電位器、繼電器、微動開關觸點等。該部位的雜質污染、疲勞、磨損、氧化等會引起接觸電阻的變大，較小的毫伏、毫安級的電信號無法完全擊穿氧化膜，等于串入阻值不穩(wěn)定的電阻，會使信號無規(guī)律衰減使電路無法進行正常工作狀態(tài)。

當電位器阻值調小時單位面積上承受功率將加大，會損壞滑片觸點，接觸電阻發(fā)生變化，致使負反饋信號產生干擾脈沖，儀器無法正常工作。焊接工藝不良或發(fā)熱嚴重的元器件熱脹冷縮會產生虛焊型接觸電阻變化，使設備儀器噪聲增加、無規(guī)律、不穩(wěn)定的間歇性工作，對數字電路而言短的通斷時間也會影響工作狀態(tài)。

1.2溫度因素

溫度對半導體器件的性能參數和可靠性有直接關系。隨溫度增加晶體管的跨導或增益會下降，安全區(qū)和穩(wěn)定區(qū)也會隨之下降［4］。由晶體管反向電流公式：

其中，IS（T0）為溫度T0時的反向飽和電流，IS（T）為溫度上升到T時的反向飽和電流，可知三極管溫度上升10℃，反向電流將增加1倍［5］。

工作在較高電壓下的濾波電容，漏電流將增大引起自身發(fā)熱而較易損壞。離發(fā)熱元件較近的電容器因長期受熱電解液干涸造成容量下降，引發(fā)軟故障。電解電容器的壽命與溫度存在指數級關系，軟故障產生時電壓下降微小或不下降，但產生的紋波、噪聲增大導致故障。

溫度因素對A/D、D/A轉換、DSP、計算機南北橋芯片等需要高速大量運算的大規(guī)模集成電路和功率器件影響明顯。當為其散熱的部分出現老化或風道不暢時，溫度反饋回路能進行判斷并啟動保護，重新啟動后溫度低于閾值會重新工作，從而呈現軟故障狀態(tài)。

1.3軟擊穿

相對于器件的永久性失效，如開路或短路造成的硬擊穿表現不同，軟擊穿則是元件的性能降低，指標參數降低而造成故障隱患。軟擊穿時電路時好時壞，能輕載或低性能工作不易被發(fā)現。

軟擊穿多發(fā)于晶體管、MOS管、電容、變壓器漆包線匝間短路等元器件。三極管軟擊穿時沒有破壞PN結的結構，擊穿條件消失后，PN結的功能得到恢復或部分恢復。軟擊穿不易測量的原因有兩種，一是需加到一定的電壓時故障復現，二是需達到一定溫度時故障復現，維修中常有使用萬用表檢測性能正常，裝回電路不能正常工作的情況發(fā)生。輕微擊穿比如晶體管極間反向電阻變小，有漏電用萬用表也不能檢測到。

電容充電后電壓升高，軟擊穿的電容產生短路或呈低阻狀態(tài)，電容電壓泄放后擊穿暫時復原，容量隨之恢復正常，但裝回電路不能正常工作。

1.4環(huán)境變化

元件參數值隨時間、溫濕度、靜電、電磁輻射等外界環(huán)境的變化，引起參數發(fā)生變化而導致軟故障的出現。電容除開路、短路等硬性故障外還存在參數變化軟故障的現象。腐蝕環(huán)境中，內部引腳接觸不良，通斷過程中會有噪音出現。絕緣電阻參數ESR會隨環(huán)境發(fā)生變化，極間絕緣性能下降產生漏電流，用在耦合時噪聲會增大，用在濾波時直流電壓會下降。

當儀器內部的灰塵、油污、潮濕等污染后，會使泄漏電流和相鄰敷銅線間產生串繞和調頻電容等參數改變，若發(fā)生在高電壓部分會產生放電、打火等現象影響其它部分工作。

2　軟故障的維修方法

發(fā)生軟故障的儀器設備中元器件，簡單使用萬用表、示波器往往效率不高，傳統(tǒng)的維修方法也存在需改進的地方，科學的檢測方法和模擬故障環(huán)境能較好地解決維修中遇到的問題。

2.1科學的檢測方法

軟擊穿元件拆機檢測或未通電檢測時，其值可能正常，但接回電路不能正常工作。傳統(tǒng)的測量方法不易發(fā)現存在軟故障的元件，需有專用儀器或檢測方法來解決軟故障元件的檢測。

虛焊或接插件觸點氧化進行常規(guī)目視判定困難時可借助放大鏡。對于電位器的檢測時指針萬用表的響應時間快于數字式多用表且直觀。晶體管圖示儀可方便顯示極限特性、擊穿特性、軟擊穿漏電流等各項參數，而萬用表的電壓為9 V無法使軟擊穿復現，因此圖示儀比萬用表更利于發(fā)現軟故障。

電容性能不良，電壓、外觀不一定變化，但會在直流中疊加一定幅度的紋波。建議使用示波器或者高頻毫伏表代替萬用表完成對紋波的測量，測量漏電流或軟擊穿時也可用圖示儀直接觀察V/I曲線，完成測量。兆歐表對電容進行檢測，若在搖至電容的額定電壓前阻值有下降出現，則可證明電容存在軟擊穿故障，此方法也可用檢測變壓器的匝間短路。

存在軟擊穿的器件帶病工作時溫度高于正常溫度，通過點溫計或紅外測溫槍對溫度進行測量能發(fā)現故障器件。

2.2模擬環(huán)境法

某些接觸類的故障在溫度、濕度、振動的環(huán)境下表現明顯，模擬出故障環(huán)境可加速故障出現以便于進行觀察故障現象或測試數據。熱風槍對溫度要求較高或懷疑的元件進行加溫，絕緣棒敲擊震動，加溫器增大濕度后再進行測量或檢測故障出現時的數據。排除環(huán)境因素可反證是否由此軟故障引起，以調整維修思路。如用酒精棉、導熱脂加散熱片等降溫，加屏蔽罩防止電磁干擾等，若故障不出現可證故障點在此。

2.3休克療法

由于軟故障不易測試，待其完全擊穿可方便測試，讓其斷開相應保護電路或滿負載或長時間工作，使軟擊穿、漏電、受溫度影響嚴重的不符合使用條件的元件得到充分的暴露，徹底損壞后進行檢測更換。晶體管、MOS管等功率元件在多次發(fā)生軟擊穿后，PN結或柵氧薄層將完全擊穿，電容的極間在多次軟擊穿后也會徹底失效。休克療法的弊端是有時會引入人為損壞，但會使檢測相對簡單，在深入了解設備儀器的工作原理后酌情合理使用。

3　軟故障的維修實例

3.1接觸電阻引發(fā)軟故障的維修實例

Agilent6654A電源，保護措施完善不易發(fā)生結構性損壞，常為軟故障。此機故障現象為液晶屏顯示時有時無，輸出值穩(wěn)定，故障應在顯示部分，且無明顯損壞的元器件。首先要排除供電原因后，分析可知故障為送至液晶屏的顯示信號或主機送至顯示處理板的數據線引起。將標號J1封裝形式為RJ11的插座和標號J2的數據線進行超聲波清洗。插頭用除銹筆將氧化層去除后噴HIRI731高效復活劑，并加強插座卡片彈性恢復，裝回后故障解決。故障原因為RJ11封裝可能存在觸點氧化或是插座彈性接觸不良兩種可能。

3.2溫度因素引發(fā)軟故障的維修實例

BedaQC200雙晶衍射儀主機工作一段時間后進入保護狀態(tài)，保護指示燈報警，關機15 min及以上時間，又能恢復工作。首先分析能工作，說明儀器所屬電路靜態(tài)參數正常，排除電源和各板卡接插后，發(fā)現聚焦控制板有發(fā)黃烤焦。在線測試各元件正常，測電源工作電流為5 A，散熱片較小且無通風道，保護電路啟動時散熱片上溫度為80℃，散熱不及時引起主控芯片過熱，參數漂移所致。在散熱片加裝12 V、300 mA風扇，并加裝獨立電源為其供電。加強通風散熱措施后，軟故障消失。

4　結語

軟故障的維修思路是首先確定發(fā)生的單元電參考文獻：

路，根據故障現象確定為何種軟故障如：振動可復現的多為虛焊類；重啟故障消失為溫度引發(fā)；加大負載故障復現為軟擊穿故障；輸出不穩(wěn)定多有接觸不良存在或電容反向漏電。維修原則是讓故障復現并監(jiān)測到數據，以便找到損壞的元件，避免盲目大范圍的對元件進行替換，防止引入新的故障。

［1］楊士元.模擬電路軟故障診斷的研究［J］.微電子學與計算機，2008，25（1）：1-8.

［2］朱大奇.電子設備故障診斷原理與實踐［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

［3］Li F，Woo P Y.Fault detection for linear analog IC-the method of short-circuit admittance parameters［J］.IEEE Trans.on CAS I：Fundamental Theory and Applications，2002，49（1）：105-108.

［4］史保華.微電子器件可靠性［M］.西安：西安電子科技大學出版社，1999.39-44.

［5］申忠如.模擬電子技術基礎［M］.西安：西安交通大學出版社，2012：6.

Soft Faults Maintenance of Equipment and Instrument

FU Shaohui，LIN Sheng，SHAO Qiang
（The 13thResearch Institute of CETC，Shijiazhuang 050051，China）

Soft faults caused by parameter variation，changed environment and soft breakup in instrument maintenance are random and cryptic，which brings trouble in daily maintenance. Conventional test is hard to find the elements of soft breakdowns.This paper shows the behavior，causation and principle of invalidation on soft breakdowns with typical examples.On the basis of above，the item obtains new test and maintenance methods which help to work accurately and quickly，and to guarantee the process and quality.

Maintenance on instrument；Soft breakdown；Fault diagnosis

TN607

B

1004-4507（2016）01-0031-04

2016-01-03