高密度電路板輔助診療修理模式研究

孫建/江蘇金陵機(jī)械制造總廠(chǎng)

0 概述

高密度電路板在機(jī)載設(shè)備上應(yīng)用廣泛，板上通常含有CPU、DSP、FPGA等超大規(guī)模集成電路和存儲(chǔ)器、總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器等芯片，元器件大多采用貼片封裝。例如，某型雷達(dá)信號(hào)處理組件由主控計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)交換模塊、DSP 模塊等多個(gè)高密度電路板組成，使用1 片i7-620 CPU、80 片DSP、2 型24 片隨機(jī)存儲(chǔ)器、3 型34 片數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等多種芯片。

機(jī)載設(shè)備通常分為雷達(dá)、顯示控制、電子戰(zhàn)等多個(gè)功能分系統(tǒng)，每個(gè)分系統(tǒng)的信息處理部件中均有大量的高密度電路板。高密度電路板的器件種類(lèi)多、信號(hào)交聯(lián)復(fù)雜、貼裝工藝精密，故障板卡的修理難度大，已經(jīng)成為限制機(jī)載設(shè)備不同功能分系統(tǒng)深修精修的普遍難 題。

1 修理難點(diǎn)

開(kāi)展高密度電路板修理，需要修理人員掌握多種修理技能，如各類(lèi)型集成電路的故障判定、片上程序的讀寫(xiě)、復(fù)雜封裝的拆焊、檢測(cè)軟件設(shè)計(jì)等。這些修理技能專(zhuān)業(yè)特征明顯、技術(shù)含量高，要求修理人員全部掌握的難度較大。由于普通修理人員存在技能短板，以上單個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的問(wèn)題易成為各工位上高密度電路板的修理瓶頸。

實(shí)現(xiàn)全員的能力提升非一日之功，且要求所有修理人員都掌握全部修理技能的要求太高，既不現(xiàn)實(shí)也不經(jīng)濟(jì)。如果針對(duì)高密度電路板修理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，組建專(zhuān)門(mén)的團(tuán)隊(duì)來(lái)應(yīng)對(duì)，建成類(lèi)似醫(yī)院輔助診療的技術(shù)支持團(tuán)隊(duì)，則能極大降低對(duì)修理人員知識(shí)儲(chǔ)備覆蓋面的要求，細(xì)化專(zhuān)業(yè)分工。

2 醫(yī)院輔助診療模式

醫(yī)院是深修精修的典范，不同的是醫(yī)院“修理人”、工廠(chǎng)“修理產(chǎn)品”，但都要求應(yīng)修盡修、恢復(fù)狀態(tài)?，F(xiàn)代醫(yī)院管理模式從20 世紀(jì)中葉發(fā)展至今，形成了極其細(xì)化的專(zhuān)業(yè)設(shè)置。目前，空軍修理工廠(chǎng)的工藝流程、工藝分工與醫(yī)院的專(zhuān)業(yè)設(shè)置有諸多相似，但在輔助診療團(tuán)隊(duì)的設(shè)置上，醫(yī)院有獨(dú)到之 處。

綜合性醫(yī)院的輔助診療科室通常有醫(yī)學(xué)影像科、檢驗(yàn)科、病理科等，可為各專(zhuān)業(yè)診室提供通用的技術(shù)支持。門(mén)診醫(yī)生不需要掌握CT 機(jī)操作技能和驗(yàn)血技能，通過(guò)醫(yī)學(xué)影像科和檢驗(yàn)科就能獲取高質(zhì)量的結(jié)論、報(bào)告。這種設(shè)置細(xì)化了專(zhuān)業(yè)分工、提高了診斷效率，降低了門(mén)診醫(yī)生的綜合能力要求。

3 修理輔助診療模式

仿照醫(yī)院模式，在高密度電路板修理過(guò)程中設(shè)置輔助診療流程，能夠降低對(duì)部附件修理人員的能力要求，優(yōu)化修理步驟。

機(jī)載設(shè)備修理的各工位遇到修理難題時(shí)，可以選擇對(duì)應(yīng)的輔助診療團(tuán)隊(duì)，通過(guò)委托單將故障電路板轉(zhuǎn)出進(jìn)行針對(duì)性處理。類(lèi)似于醫(yī)院門(mén)診部門(mén)委托輔助診療科室開(kāi)展醫(yī)學(xué)成像、病理分析，輔助診療團(tuán)隊(duì)可提供芯片檢測(cè)、軟件管理、器件拆焊、紅外對(duì)比等多種修理技術(shù)支持。輔助診療團(tuán)隊(duì)將修理后的電路板或分析結(jié)果反饋給提出需求的工位，由工位進(jìn)一步開(kāi)展部附件的檢修。

4 修理輔助診療方法

4.1 圖樣測(cè)繪

信號(hào)分析是電路板修理的基本手段，圖樣是信號(hào)分析的必要條件。大部分高密度電路板的圖樣尤其是原理圖被研制單位視為核心技術(shù)，修理工廠(chǎng)無(wú)法獲取。高密度電路板通常是多層PCВ 板，由于芯片管腳密集且大量使用ВGA 等封裝，導(dǎo)致修理人員無(wú)法使用萬(wàn)用表進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)繪。

通過(guò)使用工業(yè)CT 掃描技術(shù)，逐層探測(cè)PCВ 板線(xiàn)路走向，由人工查找線(xiàn)路連接關(guān)系，再匯總生成修理所需圖樣，能夠解決關(guān)鍵圖樣缺失的瓶頸問(wèn)題。

4.2 可編程邏輯器件檢測(cè)

針對(duì)CPLD、FPGA 等可編程邏輯器件，將原工作程序隔離，自行編制檢測(cè)程序加載到器件中，利用檢測(cè)程序?qū)χ苓吰骷M(jìn)行檢測(cè)。該檢測(cè)方法已有十余年的應(yīng)用歷史，對(duì)于使用可編程邏輯器件為主控芯片的電路板修理效果明顯。

4.3 處理器檢測(cè)

CPU、DSP 等芯片具備復(fù)雜的控制和運(yùn)算功能，應(yīng)用此類(lèi)芯片的高密度電路板的修理難度較大。除了研制單位預(yù)留的調(diào)試接口外，幾乎沒(méi)有太多可利用的修理方法，但調(diào)試接口的技術(shù)細(xì)節(jié)通常保密。

可行的修理方法包括監(jiān)控啟動(dòng)信號(hào)和隔離工作區(qū)塊。其中，處理器啟動(dòng)有固定的流程，如加載外部存儲(chǔ)器的程序時(shí)，讀寫(xiě)控制信號(hào)和數(shù)據(jù)流都有固定特征，監(jiān)控這些關(guān)鍵啟動(dòng)信號(hào)即可判斷處理器和存儲(chǔ)器是否存在問(wèn)題；隔離工作區(qū)塊是指修改電路板原有的工作模式，如使用邊界掃描技術(shù)直接控制芯片的管腳輸出，或通過(guò)物理上的隔斷、跳線(xiàn)等操作，將電路板上的運(yùn)算區(qū)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)、總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)區(qū)脫離處理器控制，繼而對(duì)各個(gè)功能區(qū)塊進(jìn)行檢測(cè)。

此外還有兩種待研究的檢測(cè)方法：一是利用板卡的并行總線(xiàn)進(jìn)行檢測(cè)，需要熟練掌握總線(xiàn)協(xié)議，并自制接口電路；二是將工作程序替換為檢測(cè)程序，需要熟練掌握操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序編制。兩種方法較難實(shí)現(xiàn)，但實(shí)現(xiàn)后具有通 用性。

4.4 存儲(chǔ)器檢測(cè)

隨機(jī)存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的異常狀態(tài)包括損壞或不穩(wěn)定兩種，其中不穩(wěn)定狀態(tài)較多出現(xiàn)于研制年代久遠(yuǎn)的芯片，隨著工藝的不斷發(fā)展，存儲(chǔ)器的品質(zhì)越來(lái)越穩(wěn)定。

通過(guò)控制存儲(chǔ)器管腳的狀態(tài)，在存儲(chǔ)器的每個(gè)地址寫(xiě)入差異數(shù)據(jù)，再讀取確認(rèn)與寫(xiě)入的是否一致，所有地址輪轉(zhuǎn)一圈或多次輪轉(zhuǎn)后就能確定存儲(chǔ)器是否工作正常。對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器實(shí)施讀寫(xiě)操作的前提是必須完整備份原有數(shù)據(jù)。

4.5 軟件備份

隨著執(zhí)行環(huán)境層軟件、平臺(tái)管理軟件、應(yīng)用軟件等多層軟件在機(jī)載設(shè)備中的大量使用，在修理中對(duì)高密度電路板的軟件作備份管理極為重要。

更換含軟件的故障芯片需要事先得到備份數(shù)據(jù)。可編程邏輯器件利用JTAG 來(lái)讀取軟件。對(duì)可拆卸的存儲(chǔ)器芯片，通過(guò)通用編程器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)備份和燒錄。對(duì)不可拆卸的存儲(chǔ)器芯片，關(guān)閉電路板上其余芯片的使能控制，清空對(duì)總線(xiàn)的干擾，通過(guò)共用總線(xiàn)的總線(xiàn)驅(qū)動(dòng)器將存儲(chǔ)器轉(zhuǎn)接到電路板對(duì)外接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)的間接訪(fǎng)問(wèn)。

4.6 器件拆焊

ВGA 封裝芯片無(wú)法通過(guò)手工對(duì)其拆解、焊接，QFP 等其他封裝芯片手工拆焊的效率和穩(wěn)定度也無(wú)法與返修工作臺(tái)的自動(dòng)操作相媲美。因此，返修工作臺(tái)在高密度電路板修理中的應(yīng)用將越來(lái)越廣泛。

操作返修工作臺(tái)需要熟悉各類(lèi)型封裝拆焊的溫度設(shè)置，儲(chǔ)備多種SMT鋼網(wǎng)。將返修工作臺(tái)集中管理，只需少量專(zhuān)業(yè)人員就能為各工位提供芯片拆焊服務(wù)。

4.7 紅外對(duì)比

通常電路板發(fā)生故障時(shí)，其板上熱耗分布會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)紅外設(shè)備掃描故障板件和正常板件的熱成像，專(zhuān)業(yè)開(kāi)展紅外掃描對(duì)照的工作組能夠建立紅外成像信息庫(kù)，為修理人員提供對(duì)比信息，從而為定位故障提供判斷依據(jù)。

5 輔助團(tuán)隊(duì)規(guī)模

以上描述的技術(shù)環(huán)節(jié)可由多個(gè)輔助診療團(tuán)隊(duì)開(kāi)展研究、分工實(shí)施，每個(gè)輔助診療團(tuán)隊(duì)根據(jù)工作量大小進(jìn)行人員配置。多則10 余人，如圖樣測(cè)繪、處理器檢測(cè)團(tuán)隊(duì)，少則2、3 人，如器件拆焊、紅外對(duì)比團(tuán)隊(duì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

與機(jī)載設(shè)備各分系統(tǒng)功能性的專(zhuān)業(yè)劃分不同，高密度電路板修理的專(zhuān)業(yè)劃分可轉(zhuǎn)變成為對(duì)不同信號(hào)分析思路、不同工藝操作方法、不同檢測(cè)調(diào)試手段的區(qū)別、細(xì)分。

輔助診療修理模式可以在多條路徑上拓展研究空間、形成解決思路，為機(jī)載設(shè)備深修精修提供專(zhuān)業(yè)的技術(shù)支撐，同時(shí)也避免因疑難故障導(dǎo)致電路板在普通工位上長(zhǎng)期滯留，從而縮短修理 周期。