中国国际医疗器械设计与制造技术展览会(Medtec China)2018

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2018年 9月26日-28日 | 上海世博展览馆

热成像技术可用于印刷电路板组件的快速调试和故障排除

2017-04-12

产品开发中,复杂电路板的调试一直是一件棘手、费时的事,专家们提出,热成像摄像机可以作为一个有效的工具。

图1测试点和接入点加亮的印刷电路板组件

             

图1:测试点和接入点加亮的印刷电路板组件

希望产品尽快上市对医疗器械开发的各个方面都带来压力。今天的医疗器械许多都是机电一体的,包括印刷电路板组件。调试印刷电路板是件困难和费时的程序,因为它一般都集成了许多元件,很复杂。我们发现,复杂电路板调试时使用热成像摄像机是个有效、省时的办法。

 

背景和使用限制

在显示一块印刷电路板的特征乃至一块板上的电路的特征上有很大的局限性。测试结点和安装带外部连线的元件的印刷电路板主要是通过使用示波器或万用表以手工方式进行(见以上图1)。

为了探测装有元件的表面,检测人员的检测线必须能进入,这意味着球栅阵列(BGA)封装件或栅格阵列(LGA)封装件都被排斥在外。用于板与板连接的连接器有时可用于接触特定的电路部分,但是,更多地使用刚挠印制板会减少物理互连层,这将进一步恶化集成的挑战、测试的耗时和测试通道。

识别失效的组件

在印刷电路板组件设计开发过程中,制造出来的第一块电路板实际上是证实设计的第一次机会。在制造装配过程中板上的部件有可能损坏,或者在设计上就有部件连接不正确的地方,从而导致问题的产生,如过电压或对地短路。不是所有问题在仔细地初启时就可识别的。当电路板加电后,板上的问题可能通过部件突出了,供电成了“撬棒”,过热发生了。如果问题足够严重,故障一目了然(冒烟!)。但许多时候问题可能更隐蔽,或许还影响到板上多个集成电路,这时,热成像摄像机随同数字万用表能够快速识别需要注意的区域。

一般来说,印刷电路板组件上最先损坏的部件是集成电路(IC)。有些部件,如数字逻辑电路、运算放大器以及所有低电压部件的超限应力宽容度较小,特别是对过电压。图2显示一个具有嵌入式IC的损坏的传感器。

图2-1损坏的传感器 图2-2损坏的传感器

图2:损坏的传感器

排除故障的第一步是测量电压轨的阻抗。如果测得的阻抗值小于10欧姆,几乎可以肯定有问题。但是下一步做什么?在相同的电源下可能有很多部件,把一个元件的插脚拨出来或全部元件都拿下来是一件十分费时的事,更不用说把它们重新再连接起来有多困难。这时,热成像摄像机的作用就表现出来了。

使用热成像摄像机的过程是简单的。它应有一个架子,因为稳定的拍摄有助于缩小热点。手边要放着装配图和原理图,以便识别元件。开头时要限止电源电流,以防任何部件的进一步损坏。打开电源,你可以看到多个IC模块开始升温。最亮的物件往往是调节部件,特别是线性调节器件。许多切换拓扑有内置短路保护,它可以保护电源,从而使电源处于有效状态和能连续向下游电路供电。但这会使调节器件覆盖红外线(IR)区域,从而使实际失效的部件变得模糊不清。作为结果,可能需要放弃或隔离电源,使用一个不相关的电源,从而使热成像摄像机能够识别板上损坏的部件。

二极管通常直接接在电源电路之中,如果电路传导电流大,二极管会显著变热,因而也就相当明亮地显示出来。图3和图4是个例子。识别比预期电流大的电流通路有助于发现元件已损坏的电路。

  

图3-1熔断的USB总线上的静电保护二极管 图3-2熔断的USB总线上的静电保护二极管

图3:熔断的USB总线上的静电保护二极管

 

图4-1热的电源整流管 图4-2热的电源整流管

 

图4:热的电源整流管

如果电流不是足够高,则寻找有问题的电路就比较困难。如果电流增加1或2毫安,则想找出损坏的电路也许也是不可能的。在微安范围的低功率的设计中尤为如此。在这些情况下,提高IC上单个插脚可能是最佳方法。

 

识别误接和其它故障

除了识别印刷电路板上失效的部件,热成像摄像机可以识别非计划的电路设计上的问题。在这些情况上,在施加电源之前电压轨阻抗测量情况可能很好。但是,一旦加上电源,电源电流增加过高。这时电源应迅速关闭,以保存电路,和防止组件软熔从板上脱落。如果使用热成像摄像机则有助于识别热的部件。例如,两个输出引脚可能因疏忽而连接了起来,并因此而不适当地试图相互驱动。这将会使两个连接的IC变热,借助热成像摄像机,这种情况很快就会发现,然后,返工,剪切和跳线,问题即可解决。

热成像摄像机可能有用的其它例子:

  • 不稳定的电源循环开与关可能导致微控制器和输入输出(I/O)扩展电路在不确定情况下的初始化,从而造成很大的电流消耗,热成像可以识别微控制器和/或输入输出(I/O)扩展电路温度的升高。在省电状态期间不允许逻辑完全重置时可能造成这种情况的发生,使用电压监控器或电源接通复位电路是预防发生此事的一个办法。
  • 在扩大的环境测试后部件可能失效。供电电流看似很高,似乎没有其它功能。热像显示只有开关电源中的功率晶体管越来越热,没有其它问题。用万用表测量的阻抗显示电源轨电阻较低,从而认识到根本原因是表面安装电容的溶解污染,形成了类似短路的效果。

 

设备选择

市场上有许多摄像机,价格在10020,000美元之间。价格差异是由特性类型和性能指标驱动的,包括测量温度、图像和视频存储以及热图像和光图像结合的能力。有的摄像机可以插入智能手机,在寻找热点上很有用。图5显示了两个例子。a

 

 

图2-1损坏的传感器 图2-2损坏的传感器

 

图5:热图像摄像机的例子。左为FLIR智能像机,右为Fluke TiS10

热成像已经证明是一个很有价值的工具,可以更快地指出和改正印刷电路版上存在的问题。它们可以被用来识别有故障的部件和不正确的跟踪连接,在显示热部件或升高的分支电路温度上证明了它们的作用。为此目的所需的热像摄像机是小型的低廉的,它非常好地补助了万用表和示波器的应用。

 

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