某型紅外探測器預(yù)處理電路失效分析

陶家園 馮希辰 李健壯 黃曉宗

摘 要：作為紅外探測系統(tǒng)中的基礎(chǔ)硬件和關(guān)鍵部件，預(yù)處理電路的性能直接影響紅外探測系統(tǒng)成像質(zhì)量。針對某型紅外探測器預(yù)處理電路的故障現(xiàn)象，建立故障樹逐步進(jìn)行失效分析，定位異常處并通過測試驗證，進(jìn)而提出糾正措施避免類似異常的發(fā)生。經(jīng)過本次失效分析，找到了偶然事件產(chǎn)生的根源，通過采取糾正措施，降低了偶然失效發(fā)生的概率，對產(chǎn)品可靠性的提高具有顯著實用價值。

關(guān)鍵詞：紅外探測器；預(yù)處理電路；失效分析；可靠性

0 引言

預(yù)處理電路是紅外探測系統(tǒng)的基礎(chǔ)硬件，通過其處理最大化發(fā)揮紅外探測器的性能出來[1]。紅外探測系統(tǒng)功能框圖如圖1所示，預(yù)處理電路實現(xiàn)紅外探測器信號采集與調(diào)理、偏置電壓產(chǎn)生、時序驅(qū)動產(chǎn)生、溫度采集、圖像處理及傳輸?shù)裙δ堋?/p>

預(yù)處理電路是紅外探測系統(tǒng)模擬信號與數(shù)字信號的橋梁，其采集性能、圖像處理能力及輸出信號直接影響紅外探測系統(tǒng)成像質(zhì)量，是整體系統(tǒng)的關(guān)鍵部件[2-3]。某型紅外探測系統(tǒng)在進(jìn)行測試時發(fā)現(xiàn)圖像異常，成像圖片中有較多雪花點，定位為紅外預(yù)處理電路功能異常。本文對該異?，F(xiàn)象進(jìn)行失效分析。

1 失效原因分析

該款紅外探測器預(yù)處理電路原理框圖如圖2所示，電路主要由信號采集與調(diào)理單元、電源管理單元、溫度采集單元、數(shù)字處理單元、偏壓產(chǎn)生單元組成。

該紅外探測系統(tǒng)工作流程為預(yù)處理電路將紅外探測器圖像信號采集并發(fā)送到后級成像，中間不對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。工作過程中出現(xiàn)圖像成像異常，圖片中有較多雪花點。

根據(jù)故障現(xiàn)象及預(yù)處理電路功能實現(xiàn)判斷，引起圖像異常的原因可能為：預(yù)處理電路數(shù)據(jù)傳輸功能異常、探測器時序功能異常、偏置電壓異常、信號采集與調(diào)理功能異常。根據(jù)上述分析建立故障樹[4-5]，如圖3所示，下面對各個事件進(jìn)行排查分析。

1.1 數(shù)據(jù)傳輸功能分析

預(yù)處理電路數(shù)據(jù)傳輸通路為FPGA輸出LVDS信號，如圖2數(shù)字處理單元所示。數(shù)據(jù)傳輸功能可通過FPGA自身生成測試數(shù)據(jù)，然后用EDA軟件SignalTapII對發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取進(jìn)行對比分析。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，電路發(fā)送的數(shù)據(jù)與成像的數(shù)據(jù)一致，發(fā)送的數(shù)據(jù)包幀頭、幀尾，其編碼值與約定的數(shù)值一致，傳輸數(shù)據(jù)的個數(shù)與圖像接收的個數(shù)一致，未出現(xiàn)錯幀、跳幀現(xiàn)象。因此，排除數(shù)據(jù)傳輸功能異常。

1.2 探測器時序功能分析

預(yù)處理電路通過內(nèi)部FPGA產(chǎn)生2組穩(wěn)定的時序信號提供給探測器，如圖2數(shù)字處理單元所示。時序信號可通過示波器抓取進(jìn)行分析，表1所示為抓取結(jié)果。

測試結(jié)果表明波形正常，且與時序功能設(shè)定一致。因此，排除探測器時序功能異常。

1.3 偏置電壓功能分析

預(yù)處理電路通過電壓基準(zhǔn)及DA調(diào)理為探測器提供6路偏置電壓，如圖2偏差產(chǎn)生單元所示。偏置電壓可通過萬用表測試，表2所示為測試結(jié)果。

測試結(jié)果表明，偏置電壓波形正常，在指標(biāo)范圍內(nèi)。因此，排除探測器偏壓功能異常。

1.4 信號采集與調(diào)理功能分析

預(yù)處理電路主要通過差分運放對探測器輸出的模擬信號進(jìn)行放大調(diào)理，然后通過AD采集調(diào)理后的信號，如圖2信號采集與調(diào)理單元所示。信號采集與調(diào)理功能可通過信號發(fā)生器輸入波形，利用SignalTapII抓取FPGA接收到的調(diào)理信號進(jìn)行對比，圖4、圖5所示分別為輸入3.75 V直流信號與10 kHz，（1.6～4.6）V的正弦信號測試結(jié)果。

測試結(jié)果表明，經(jīng)過運放調(diào)理及AD轉(zhuǎn)換后出現(xiàn)波形失真：直流信號出現(xiàn)毛刺，正弦信號出現(xiàn)臺階跳變。測試結(jié)果也表明，波形失真體現(xiàn)在局部，未出現(xiàn)整體偏移或振蕩。因此，初步判斷信號調(diào)理部分功能正常，采集部分功能異常。

從圖2信號采集與調(diào)理單元可以看出，信號采集功能通過AD實現(xiàn)，可初步定位AD轉(zhuǎn)換存在異常，可分為以下2種情況：

1）AD芯片自身功能異常；

2）互聯(lián)鍵合絲異常（短路或者開路）。

由于預(yù)處理電路中使用的是裸芯片AD，且密封在金屬腔體內(nèi)部，不便于單獨測試AD芯片功能，故先從互連鍵合絲入手進(jìn)行異常排查。首先對異常電路進(jìn)行X射線檢查，圖6所示為X射線照相圖。

從圖6中可以看出，AD芯片上有2根鍵合絲扭曲，疑似短路（圖6中紅色標(biāo)記處）。

為進(jìn)一步確認(rèn)AD芯片內(nèi)部鍵合絲是否短路，我們對異常電路進(jìn)行開帽鏡檢，如圖7所示，發(fā)現(xiàn)這2根鍵合絲確實存在接觸短路的情況，短路引腳分別對應(yīng)AD芯片數(shù)據(jù)位的D9、D10位（此款A(yù)D芯片共14位，最高位為D1，最低位為D14）。

當(dāng)AD芯片中D9、D10位短路時，兩個數(shù)據(jù)位輸出編碼電平一致。當(dāng)D9、D10轉(zhuǎn)換結(jié)果均為1或均為0時，輸出編碼正常；當(dāng)D9為0、D10為1或D9為1、D10為0時，則會出現(xiàn)電平的競爭，出現(xiàn)編碼的異常跳動，AD轉(zhuǎn)換輸出將會出現(xiàn)毛刺，與前述觀察現(xiàn)象一致。

1.5 測試驗證

為進(jìn)一步驗證，將D9、D10短路鍵合絲進(jìn)行分離處理，然后再通過信號源輸入3.75 V直流信號與10 kHz，（1.6～4.6）V的正弦信號測試，SiganalTapII抓取波形如圖8、圖9所示。

測試結(jié)果表明波形正常：直流信號無毛刺，正弦信號波形平滑，且與信號采集與調(diào)理單元理論計算值一致；將處理后的預(yù)處理模塊重新裝入紅外探測系統(tǒng)中成像質(zhì)量良好，異?，F(xiàn)象消失。

綜上所述，確認(rèn)該預(yù)處理電路異常由AD芯片D9、D10數(shù)據(jù)位短路導(dǎo)致。

2 糾正措施

當(dāng)預(yù)處理電路中AD芯片數(shù)據(jù)位短路時，會出現(xiàn)數(shù)據(jù)競爭，引起采集信號失真，造成紅外探測器成像異常。因此，保證AD芯片正常鍵合，不短路即可解決該問題。針對預(yù)處理電路模塊采取以下措施避免類似狀況發(fā)生：

更改板級鍵合點位置，避免鍵合絲朝向同一側(cè)引入短路風(fēng)險；

嚴(yán)格控制鍵合工藝，鍵合前應(yīng)在樣件進(jìn)行鍵合試驗，并對鍵合絲進(jìn)行拉力試驗等測試，確保鍵合正常；

嚴(yán)格執(zhí)行封帽前的鏡檢，避免因觀察不仔細(xì)漏過異常位置；

在封帽前后增加信號采集與調(diào)理單元波形測試，確保信號采集與調(diào)理功能正常。

經(jīng)采用上述措施，后續(xù)該電路多批次產(chǎn)品均未出現(xiàn)因AD鍵合絲短路出現(xiàn)的異常。

3 結(jié)束語

本文針對某型紅外探測器預(yù)處理電路異常現(xiàn)象，通過建立故障樹逐步進(jìn)行失效分析，定位異常并通過測試驗證，進(jìn)而提出糾正措施避免類似異常的發(fā)生。經(jīng)過本次失效分析工作，找到了偶然事件產(chǎn)生的根源，通過采取糾正措施，降低了偶然失效發(fā)生的概率，對產(chǎn)品可靠性的提高具有顯著實用價值。

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