田晚成，杨小凤，舒鹏飞，吴大卫，陈亮

中国电子科技集团公司第二十九研究所，四川，成都，610000

0 引言

PCBA短路故障是数字类产品的常见故障之一，导致短路的因素有很多，如PCB印制板本身在加工过程中引入、元器件物料短路引入、焊接装配过程引入等[1]。对于大批量生产的PCBA而言，如家电和PC行业，因其少品种大批量的特点，任何一个环节引入的短路风险都会造成巨大成本浪费，因此PCBA本身的制造成熟度非常高，故障率极低。对于多品种小批量的生产制造行业，产品的制造成熟度低、故障率较高，其PCBA短路故障较为突出。

本文主要面向多品种小批量的高密度集成的PCBA，针对其短路故障定位难、周期长、成本高的问题，对业界的PCBA短路定位仪展开调研，分析各种短路测试方法及其适用场景、优缺点，并通过应用实例，验证短路定位仪对复杂PCBA短路故障排查的实用性。

1 高密度集成PCBA的特点

随着芯片集成度越来越高，芯片的封装已发生了翻天覆地的变化。最简单的双列直插DIP，以及扁平式封装QFP和PFP、插针网格阵列PGA，其封装的管腿都是可见的，管腿数量有限，可通过仪器进行直接测量，芯片价格相对较低，而发展到球栅阵列封装BGA、栅格阵列封装LGA、芯片尺寸封装CSP、多芯片模块MCM阶段，芯片管腿呈指数级增加，且管腿装配后不可视，仪器不可直接测量，芯片价格非常昂贵[2]。以电阻电容等为代表的典型分立元器件，其封装的尺寸也越来越小，当前主流的0402封装已不便于直接进行探针测量。

由于PCBA集成度越来越高，密度也越来越大，短路故障排查的难度也越来越大。目前主流信号处理类PCBA典型产品如图1～2所示，其通常具有以下特点：

图1 高密度集成PCBA 典型产品示意1（正面）

（1）集成度非常高，集成密度非常大，大量使用0402封装的电阻电容，数量在1000左右的量级；大量选用BGA封装和LGA封装的高密度集成芯片；选用的TSOP类封装引脚间隔低至0.5mm；

（2）PCBA电源网络非常复杂，PCBA的主要器件几乎都会用到几种电源网络，电源网络短路时无法精准定位。

图2 高密度集成PCBA 典型产品示意2（背面）

针对此类高密度集成PCBA板卡的短路故障，当下的排故手段是逐一拆除相关电源网络的可疑相关元器件，这种排故方法需要逐一拆除确认的元器件非常多，消耗的人力和设备工时长，且容易造成元器件损伤及PCB损伤，效率极低、成本高、质量风险大；对于0402封装的电容造成的短路，通常即使拆完了相关器件也不能排查到短路点，此时只能对PCB做报废处理，造成极大的浪费。PCBA集成度越来越高是行业的趋势，高密度PCBA板卡在行业中所占的比重也越来越大，为了解决此类PCBA的短路故障定位问题，迫切需要相关短路定位设备快速准确地对短路故障进行定位。

2 短路测试方法

业界短路定位的方法，按照出现时间的先后顺序大致分为：万用表法、毫欧表法、压差测试法、电流轨迹法、热阻变化法、红外线法、向量激发法、矢量雷达法[3]。万用表法是通过测量阻抗逐一拆除的方式排查短路，应当尽量避免使用，另外几种方法按照其定位原理、技术特征、适用场景进行对比（表1）。

表1 主流短路定位方法对比情况

业界的短路定位仪大致分为3种。第一类短路定位仪通常集成了毫欧表、压差测试、电流轨迹、向量激发法中的2～4种于一体。第二类短路定位仪基于热阻变化或者红外成像法，均是利用短路点发热量大的原理进行短路点定位，其中红外成像法效果明显好于热阻变化法。第三类短路定位仪基于矢量雷达法，其原理是以短路回路为天线，发射矢量雷达信号，通过捕捉信号轨迹确认短路点，属于较新的短路定位技术。第三类基于矢量雷达法的短路定位仪定位精度指标为±5mm，第一类和第二类短路定位仪通常不会直接提供定位精度指标，业界根据其实际使用效果，提供了各种短路定位原理定位精度的比例关系，由此推算得出表1中前六种短路定位原理定位精度的范围。

热阻变化法没有专用的设备，通常作为其他短路测试设备的一个辅助功能，通过热阻变化法进行短路故障排查。原理、方法、适用短路类型均和红外热成像法类似，但是排查效果明显不如红外成像法，因此对这种方法不做展开介绍。

2.1 基于毫欧表、压差测试、电流轨迹、向量激发法的短路定位仪器

这类仪器包括英国Polar Instruments公司的Polar Toneohm950、新加坡Proteq公司的CB2000、北京中慧天诚科技有限公司的NICT-950、北京达必勤科技有限公司的TS980。在同样的短路定位方法下，4款仪器的指标非常接近，从表2可以看出Toneohm950提供的方法最全，Toneohm950独有的向量激发法是唯一可解决PCB/PCBA层对层短路的方法，此种短路情况也是常见的短路故障。

表2 4款短路定位设备对比情况

Toneohm950的测试原理依赖探针与PCBA板卡的接触，以下三种情况Toneohm950不能提供有效的故障排查指导：

（1）BGA封装、LGA封装造成的短路，引脚隐蔽在PCB和元器件之间，无法探测；

（2）0402封装的电容造成的短路，封装过小，总量太大，无法一一探测；

（3）对焊盘防护要求高的产品，应避免使用探针对PCBA板卡进行检测。

由于PCBA产品集成度的提高，BGA封装的FPGA、DDR、Flash器件、LGA封装的电源芯片、0402封装的去耦电容及电阻电容的内埋，在高密度的信号处理类模块中得到了广泛的应用，Toneohm950较难对此类PCBA的短路故障提供有效引导。

2.2 基于红外成像法的短路定位仪器

利用红外成像法进行短路故障处理，首先需要通过直流稳压电源给PCBA提供适当的电流，等待合适的时间，使得组件发热，然后通过热成像仪检测异常发热点来判断短路故障位置，并不是专用的短路定位设备[4]。可用于短路定位的红外热成像仪包括美国福禄克公司的Fluke TI25、武汉高德公司的GUIDE 980B、德国德图公司的TESTO 869、美国菲力尔公司的FLIR E4，4款仪器对比见表3，可以看出4款仪器的测温准确度一致，红外频带和热灵敏度相近，而温度量程FLUKE TI25会优于其他。

表3 4款红外热像仪短路定位设备对比情况

热成像仪应用到PCBA的短路故障排查存在明显边界，无法推广作为短路排查的常规手段，使用场景受局限的原因有以下3点：

（1）排故过程需对电路板进行通电测量，提供的电压、电流、热稳定时间均难以量化，过压过流的风险大；

（2）不适用于低阻短路，只有在短路阻抗大于1Ω的条件下，安全性、准确度较高，但是短路现象多为对地平面的短路，阻抗低于1Ω；

（3）温度异常点不一定是短路点，带有金属壳的器件、螺钉孔、金属安装孔等都会有温度异常，容易造成误判。

2.3 基于矢量雷达法的短路定位仪器

矢量雷达法是德国Esamber公司推出的新一代短路定位方法。矢量雷达法的原理是以短路回路为天线发射矢量雷达信号，再用电波捕捉笔进行跟踪识别定位[5]。因为矢量雷达信号功率非常小，电波捕捉笔也不需要和故障件进行接触，所以没有过压过流风险，也不会破坏印制板，定位精度和电波捕捉笔探头大小直接相关，可精确在5mm以内，总的来说基于矢量雷达法的测试方法较上述的短路测试方法具有较强的技术优势。

3 短路定位仪的应用实例

根据以上调研和分析，对于高密度集成PCBA的短路故障排查，基于矢量雷达法的短路定位仪具有超强的先天技术优势，在此以Esamber的VRD 7000P短路定位仪进行短路定位应用的实例验证。

3.1 高密度集成PCBA典型产品

以图1所示的高密度集成PCBA 典型产品为例（图3），其短路故障现象为：+3.3V对地5Ω短路。该产品组成如下：

图3 VRD 7000P短路定位仪图示

（1）拥有1000+的片式电容和400+的片式电阻，封装极小，尤其是片式电容可接入到所有的电源网络；

（2）14个以BGA封装的FPGA芯片、DDR，以及LGA封装的电源芯片；8个以TSOP封装的FLASH、ADC、单片机芯片，引脚间隔仅0.5mm；同一种电源网络涉及超过5个主要芯片。

3.2 短路定位仪的应用

用通俗的话来说，VRD 7000P短路定位仪的测试原理：某两点之间短路，那么两点之间一定存在一个短路阻抗很低的回路，以此回路作为天线回路，注入雷达电波信号，则回路中就会分布电波信号，使用探笔寻找此电波信号就能判断短路点。

先在PCB里显示出待测信号图层（图4中的黄色区域为+3.3V电路层），然后首选窄路径的最远端作为探测点（图4中的A、B两点）：

图4 短路测试仪探测示意图1

（1）A方向测试：从A处灌注信号，信号响应范围在虚线路径内，探测到的最远距离至左上角，且此处信号比较强，左下角部分基本探测不到信号；

（2）B方向测试：从B处灌注信号，信号响应范围在虚线路径内，探测到的最远距离至左上角，且此处信号比较强；

（3）用上述方法选取线路上不同点探测（图5），发现探测到的信号交集为虚线圈范围，且虚线圈内与+3.3V有关的芯片只有D14，此时可初步判定为虚线圈的D14芯片短路，然后在D14处注入信号，其余地方均无明显信号，最终短路测试仪判断为D14短路。

图5 短路测试仪探测示意图2

3.2 短路定位仪的验证结果

将D14芯片取下后，短路故障排除，排查时短路定位仪不会和故障件进行接触，没有过压过流风险，不会对印制板造成损伤。结果验证了基于矢量雷达法的短路定位仪在保障产品物理安全和电性能安全的前提下，能极大提升高密度集成PCBA短路故障定位的效率。其故障定位时间短，定位精准，极大地缩短了定位排查周期，短路故障修复引入的成本极低。

4 结语

如今以ADC、DAC、FPGA、DSP、单片机、DDR、FLASH等为代表的高度集成且价格不菲的芯片，是高密度集成PCBA板卡的常客，这类信号处理类产品也因此一直是生产制造的核心产品之一。PCBA短路故障作为常见故障之一，对于多品种小批量的生产制造行业，在产品的制造成熟度较低的情况下，在前端的产品设计、工艺制造过程、供应链管理过程都可能引入短路故障时，在生产制造的末端仍需消除产品故障，而基于矢量雷达法的短路定位仪对高密度集成PCBA短路故障定位的实例应用，充分验证了这类短路定位仪对复杂PCBA短路故障排查的实用性。