PCBA短路故障分析及短路定位儀的應(yīng)用

[摘 要]文章介紹了印刷電路板短路故障的常見類型及目前行業(yè)中常見的短路定位方法，分析了各類定位方法的優(yōu)缺點和主要適用方向，闡述了矢量雷達(dá)短路定位儀的原理及應(yīng)用，并通過實例驗證了矢量雷達(dá)短路定位儀的實際應(yīng)用效果。

[關(guān)鍵詞]PCBA；短路故障；定位分析；短路定位儀

[中圖分類號]TM934 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0021–03

Analysis of PCBA Short Circuit Fault and Application of Short Circuit Locator

GAO Jing，YAN Jihao，HAN Songjian，WANG Kui

[Abstract]The article introduces the common types of short circuit faults in circuit boards and the commonly used short circuit positioning methods in the industry. It analyzes the advantages， disadvantages， and main applicable directions of various positioning methods， explains the principle and application of vector radar short circuit positioning devices， and verifies the actual application effect of vector radar short circuit positioning devices through examples.

[Keywords]PCBA； short circuit fault； positioning analysis； short circuit locator

隨著產(chǎn)品向智能制造與集成化高速發(fā)展，電子元器件與組件的尺寸不斷微小化，排列密度隨之增大，同時作為電子元件的支撐體——PCB的面積與層數(shù)不斷增加，設(shè)計布局也愈加復(fù)雜，尤其是電源對地網(wǎng)絡(luò)一般并聯(lián)的元件數(shù)量非常多，而且對地短路在短路故障中占據(jù)的比例非常高。因此在批量生產(chǎn)中，電路板短路故障問題較多[1]，且排查難度較大。

按照功能性劃分，PCBA短路故障主要包括焊接短路、器件短路、PCB短路、靜電擊穿、過電壓/過電流擊穿、電化學(xué)短路等。根據(jù)布線特性劃分主要包括線對線短路、線對層短路、層對層短路。由于造成短路的原因眾多，無法逐一排除并聯(lián)元件的數(shù)量與質(zhì)量，需運用短路故障定位方法分析故障點的準(zhǔn)確位置，以免造成時間與成本的雙重?fù)p失。

1 常規(guī)短路定位方法分析

PCBA短路故障定位方法較多，傳統(tǒng)定位短路故障位置主要采用目檢并以萬用表輔助檢測的方式，根據(jù)故障現(xiàn)象和電路分布，逐一拆卸懷疑位置元器件，并逐一確認(rèn)，直到拆卸到短路位置的器件，才能排除故障。該方式技術(shù)手段簡單，適用范圍較廣，但總體弊端較多：①檢測效率低，同一回路上元件數(shù)量眾多，短路定位的難度較大；②耗費成本高，整體風(fēng)險大，拆卸元器件對周邊元器件及PCB有一定損傷，影響產(chǎn)品可靠性，單板報廢可能性高。因此業(yè)界在實際定位中常采用以下方法。

（1）阻抗對比法。其使用毫歐表測量所有可能點，尋找最低電阻位置。該方式效率較低，適用于低阻短路。

（2）電流軌跡法。其通過給線路灌以電流，逐步測點確認(rèn)回路中電流的流向，分析非預(yù)期的電流交匯點，確認(rèn)短路位置。該方式更適用于電纜、線束等帶有絕緣層的短路故障定位[2]。

（3）向量激發(fā)。其是指使用專用設(shè)備利用向量層激發(fā)，探測層與層之間短路的定位方法[3]，適用范圍具有局限性，在大批量、多品種的產(chǎn)品實際應(yīng)用中作用較小，可作為特定產(chǎn)品及研究使用。

（4）熱阻變化法。其利用元件受熱阻抗會產(chǎn)生變化的特點，加熱元器件測量阻抗變化。該方式適用于元器件熱阻抗特性異常的短路，因效率及范圍限制不推薦單獨使用進(jìn)行故障排查，可作為輔助方式。

（5）紅外熱成像法。其具有非接觸、不干擾被測電路工作的優(yōu)點[4]，一般通過增加適當(dāng)電流使得組件發(fā)熱后，與標(biāo)準(zhǔn)紅外熱圖像對比，并根據(jù)差異點位置確定故障器件。該方式適合于工廠帶電調(diào)試過程中的異常問題及大規(guī)模、批量化檢測，但在使用過程中需注意過電壓及過電流損傷風(fēng)險。

（6）矢量雷達(dá)短路定位法。其主要依靠捕捉混合矢量雷達(dá)電波軌跡，精確定位短路位置。該方式適用于各種常見短路故障定位，且具有非接觸、非破壞、無損傷、高效率的優(yōu)勢，在技術(shù)角度和實用價值方面該短路定位方式都具有較強優(yōu)勢。

2 矢量雷達(dá)短路定位儀原理介紹

矢量雷達(dá)短路定位儀（圖1）集成了雷達(dá)掃、電阻表、毫歐表功能，除矢量雷達(dá)法外兼顧熱阻變化及阻抗對比兩種定位方法，其主要組成部分包括主機、雷達(dá)掃描探筆、組合信號注入筆（紅黑表筆）等。

該儀器以短路回路為發(fā)射天線，在回路的可探測點注入混合矢量雷達(dá)電波，雷達(dá)電波流向通過線阻最小的路徑，即通往理想阻抗為0 Ω的短路點路徑，使用雷達(dá)探測筆信號方向指示捕捉雷達(dá)電波信號軌跡，通過確認(rèn)信號強度精確定位短路位置[3]。矢量雷達(dá)原理如圖2所示。

3 矢量雷達(dá)短路定位儀應(yīng)用實例

3.1 矢量雷達(dá)短路定位儀定位3.3 V電源對GND短路

1塊DSP板卡短路故障PCB如圖3所示，其故障現(xiàn)象為3.3 V電源對GND短路。該PCB為4層板，包含電阻、電容、電感、MOS管、芯片等1 200多個種類的元器件，亮點區(qū)域為3.3 V元器件圖層，可以看出并聯(lián)的元件數(shù)量較多且涉及的范圍較廣，技術(shù)人員通過傳統(tǒng)故障定位方式及紅外熱成像法進(jìn)行排查未果，選擇使用矢量雷達(dá)短路定位儀進(jìn)行故障排查。

先選取PCBA上端一貼片電容處向回路中注入雷達(dá)信號，紅表筆接a點3.3 V線路電容，黑表筆接b點GND，使用探測筆感應(yīng)式探頭對3.3 V電壓線路逐個區(qū)域進(jìn)行掃描，跟蹤捕捉信號軌跡，過程中探測筆信號燈及主機LED屏實時顯示信號強度，同時伴有蜂鳴聲提示，根據(jù)回路路徑及探測筆方向指示探測到信號最強處集中位于A區(qū)域。為進(jìn)一步確認(rèn)，在位于PCBA下方區(qū)域的c點和d點（GND）再次輸入雷達(dá)信號，探測筆同樣在A區(qū)域信號最強。

進(jìn)一步觀察A區(qū)域信號強度變化，最強信號主要集中出現(xiàn)在B區(qū)。B區(qū)元器件分布如圖4所示，TOP面有一BGA封裝芯片，圓形亮點為芯片與3.3 V電源線路相關(guān)的焊點，方形亮點為Bottom面3.3 V電源線路貼片電容的焊點。觀察發(fā)現(xiàn)，肉眼可見的焊點均無連焊等異常現(xiàn)象，初步判定有42處BGA封裝芯片短路。將芯片取下后，短路故障排除，總體排查用時18 min，全過程無接觸、無損傷，定位精準(zhǔn)，效率高。

3.2 矢量雷達(dá)短路定位儀定位層間短路

1塊短路故障PCB如圖5所示，其故障現(xiàn)象表現(xiàn)為3.3 V電源對GND短路，該PCBA含有200多個元器件，排列密度一般，且3.3 V電路元器件都集中于TOP層，但通過傳統(tǒng)檢測方式卻遲遲未定位到短路點。黑色加粗點區(qū)域為3.3 V元器件圖層，集中在板卡右側(cè)，使用矢量雷達(dá)短路定位儀分別選取右側(cè)區(qū)域內(nèi)上下兩端注入信號進(jìn)行掃描定位。

先選取區(qū)域上端向回路中注入信號，紅表筆接a點3.3 V線路電容，黑表筆接b點GND，使用探測筆感應(yīng)式探頭跟蹤捕捉信號軌跡，信號最強區(qū)域為圖5中的E處，但該區(qū)域PCBA內(nèi)并無3.3 V線路上的元器件，懷疑印制板層間短路。

再選取區(qū)域下端c點和d點（GND）注入信號，雷達(dá)掃描探測筆信號最強區(qū)域仍為E處，短路定位測試判斷該處為短路點，且為印制板內(nèi)部短路。

經(jīng)水平切片后發(fā)現(xiàn)，PCB中E位置銅皮與焊盤孔部分區(qū)域存在黑影，測試有6 Ω阻值，確為短路點；垂直切片分析后確認(rèn)為原基材雜質(zhì)導(dǎo)致印制板內(nèi)部短路。以上矢量雷達(dá)短路定位儀排查過程僅用時7 min，高效率、無損傷的定位了印制板層與層間短路，促進(jìn)了廠家進(jìn)行原材料工藝改善。

4 結(jié)束語

在PCBA板卡批量生產(chǎn)過程中，短路故障難以避免且原因眾多，需根據(jù)場景和短路類型選擇可用的短路定位方法。由上述實例可以看出，矢量雷達(dá)短路定位方法全過程無損傷、高精度、高效率，且定位短路類型廣泛，在少品種大批量、多品種小批量的制造行業(yè)都具有較大的實用價值。該短路定位方式適用于前期開發(fā)研究、制造生產(chǎn)異常及運行現(xiàn)場失效等產(chǎn)品全生命周期出現(xiàn)的短路故障分析，可促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計與生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步，具有較高的實際應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 戴大海.一種電路板焊接短路定位方法的介紹[J].印制電路信息，2020，28（5）：55-57.

[2] 王新華.短路分析儀在短路故障定位中的應(yīng)用[J].光源與照明，2020（8）：44-45，49.

[3] 田晚成，楊小鳳，舒鵬飛，等.短路定位儀在高密度集成PCBA短路故障定位中的應(yīng)用[J].電子元器件與信息技術(shù)，2022，6（5）：40-44.

[4] 楊先明，葉玉堂，方亮，等.紅外電路故障檢測系統(tǒng)[J].紅外與激光工程，2006（3）：262-266.