某型顯控設(shè)備液晶屏低溫環(huán)境下不亮故障分析

摘要：針對某型北斗終端顯控設(shè)備在低溫環(huán)境下液晶屏不亮故障進行分析排查，找出具體故障部位，結(jié)合電鏡掃描分析確認了故障產(chǎn)生的機理，提出改進方案，并進行了改進效果驗證，有效地解決了FPC柔性線路板金手指設(shè)計工藝缺陷，提高了設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。關(guān)鍵詞：液晶屏；FPC；金手指；電鏡掃描；化學(xué)沉金；電鍍金Keywords：LCDscreen；FPC；goldenfinger；scanningelectronmicroscope；chemicalgoldprecipitation；electroplatedgold0引言為了給某系列武器裝備展開階段提供快速準確的定位定向基準，為裝備作戰(zhàn)使用過程提供精確穩(wěn)定的時間信號和信息，提供北斗短消息通信、導(dǎo)航手段，擺脫對全球定位系統(tǒng)（GPS）的依賴，研制了某型軍用北斗終端設(shè)備。該終端設(shè)備由主機、顯控設(shè)備、天線及配套電纜組成，其中，顯控設(shè)備用于裝載電子地圖數(shù)據(jù)、顯控軟件，實現(xiàn)定位、定向、導(dǎo)航和北斗短信息的應(yīng)用操作。該系列裝備型號多樣，部署地域廣泛，所處的自然環(huán)境差異大。最冷的地區(qū)最低氣溫達-48℃、地面溫度達-53℃，最熱的地區(qū)最高氣溫達+47.6℃、地面溫度達+75℃，最大相對濕度達95%[1]，故對北斗終端設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性、可靠性有很高的要求，需要經(jīng)過嚴酷的環(huán)境、可靠性試驗考核。1故障情況被試北斗終端顯控設(shè)備在可靠性鑒定試驗第一循環(huán)低溫工作測試點（先進行-55℃保持4h，升溫至-40℃保持4h）通電測試中液晶屏不亮，關(guān)機后重啟電源液晶屏仍不亮，恢復(fù)常溫后再次重啟電源，故障消失。被試產(chǎn)品在參試可靠性鑒定試驗之前，陸續(xù)通過了環(huán)境應(yīng)力篩選、環(huán)境摸底試驗和環(huán)境鑒定試驗（包括高低溫貯存和工作、濕熱、隨機振動、沖擊等試驗）、常溫426h可靠性拷機及電磁兼容性試驗。2故障定位及分析為了便于分析問題，查找故障原因，首先梳理出顯控內(nèi)外部信號鏈路關(guān)系，如圖1所示。顯控設(shè)備由主板、FPC柔性線路板（下稱“FPC排線”）、液晶屏及殼體組成。顯控設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)和電源信號由北斗終端設(shè)備主機通過顯控電纜送入，顯控設(shè)備主板加電后，主板上的CPU程序啟動，通過接口芯片將電源、接口數(shù)據(jù)和時鐘信號從FPC柔性線路板傳送到液晶屏上，時序匹配后液晶屏點亮。其中，連接主板和液晶屏的FPC排線為39PIN，第10、27、29腳是主板的接口芯片輸出電源，第12、13、15、16、21、22、24、25腳是主板接口芯片輸出的MIPI數(shù)據(jù)信號，第18、19腳是主板輸出的時鐘信號，其他點未用。由液晶屏工作原理可知，電源、MIPI信號、時鐘信號任意一個不正常都會造成液晶屏不亮，即以下多種原因均可導(dǎo)致液晶屏不亮：主機供電異常、顯控主板異常、液晶屏本身故障和顯控FPC排線異常，故障樹如圖2所示。根據(jù)顯控工作連接示意圖和故障樹圖進行逐項故障排查。2.1主機供電故障檢查北斗終端設(shè)備主機提供直流5V電壓，經(jīng)過顯控電纜傳輸?shù)斤@控設(shè)備內(nèi)部電纜，為顯控主板供電。將被試主機、顯控電纜放入高低溫箱內(nèi)，與箱外的顯控設(shè)備連接后，按照故障發(fā)生時的環(huán)境條件進行試驗，即-55℃貯存保持4h升溫至-40℃保持4h，主機加電后使用萬用表測量顯控內(nèi)部電纜連接顯控主板端有5V電壓，并且檢測到顯控主板內(nèi)的軟件已發(fā)送讀卡指令到主機上。上述測試過程證明顯控液晶屏在低溫不亮時，北斗終端設(shè)備主機已給顯控主板加電成功，且顯控主板的操作系統(tǒng)已正常工作，因此排除底事件X1、X2、X3。2.2顯控主板故障檢查采用將主板單獨放置在低溫環(huán)境下工作的方法進行排查。由于原FPC排線過短，故按照相同工藝訂制了30cm長的FPC排線（見圖3），將顯控設(shè)備的主板、液晶屏隔離分別放置于高低溫箱內(nèi)外，排查顯控主板是否故障。降溫至-55℃保持4h，升溫至-40℃并保持4h，從第5h開始每隔半小時通斷電3次，每次加電液晶屏都亮，主板都能正常工作，持續(xù)3天未發(fā)現(xiàn)故障。液晶屏正常顯示時，測量主板插座輸出端的電源信號、MIPI信號、時鐘信號波形，都正常，說明主板沒有故障，排除底事件X4、X5、X6。2.3顯控液晶屏故障檢查將主板和液晶屏在高低溫箱內(nèi)外互換，試驗排查液晶屏是否故障。采用與主板相同的排查方法進行試驗測試，被試液晶屏未發(fā)現(xiàn)故障，排除底事件X7、X8。2.4FPC排線故障檢查排除主機、顯控主板、液晶屏故障后，初步確定使用的FPC排線發(fā)生了故障。對X9、X10、X11等3個底事件逐一排查。首先使用萬用表分別在常溫及-40℃環(huán)境下測量FPC排線每個端子的通斷，每個金手指兩端都導(dǎo)通。正面FPC柔性排線導(dǎo)通正常，排除底事件通斷故障X9。這樣，故障部位就孤立在FPC排線兩端的金手指。金手指是主板插座/液晶屏插座與柔性排線的連接部件，由多個金黃色的導(dǎo)電觸片組成，因其表面鍍金而且導(dǎo)電觸片排列如手指狀而稱為“金手指”。進行排查時重新安裝了原FPC排線，在低溫下多次試驗故障均未復(fù)現(xiàn)。但肉眼觀測FPC排線兩端的金手指（與主板、液晶屏插座的壓接處）均有小凹坑，使用普通放大鏡觀測發(fā)現(xiàn)，接主板金手指的凹坑比較明顯，如圖4所示。嚴重的凹坑可能會引起與主板的插座壓接簧片接觸不良，故進行深入排查。多次重新拆裝FPC排線金手指與主板端插座，每拆裝一次進行一次通電操作，結(jié)合低溫環(huán)境觀察液晶屏是否點亮。連續(xù)兩天出現(xiàn)兩次液晶屏不亮，保持不亮時的狀態(tài)不變，重新斷電重啟仍不亮，恢復(fù)常溫時通電恢復(fù)正常。此時使用示波器測量各管腳的信號波形，發(fā)現(xiàn)兩次都是FPC排線第13腳接主板端的MIPI數(shù)據(jù)信號不正常（主板插座上該點的信號正常），導(dǎo)致液晶屏收不到該信號。示波器測試結(jié)果如圖5所示。2.5故障定位根據(jù)排查情況分析，確定故障為主板插座與FPC排線接主板金手指第13腳連接不可靠造成液晶屏不亮。為了進一步驗證故障定位是否準確，對FPC排線金手指凹坑進行電鏡掃描，放大1000倍（見圖6）后觀察，每個金手指都出現(xiàn)凹坑、不同程度的斷裂和絕緣物沾染，F(xiàn)PC排線接主板插頭金手指第13腳凹坑最為嚴重，出現(xiàn)貫穿性斷裂，內(nèi)部鍍金層大量斷裂并脫落，絕緣物沾染面積超過40%，導(dǎo)致該點與主板插座的金屬簧片處于連接不可靠的狀態(tài)。3故障機理分析本顯控設(shè)備采用的FPC排線屬于柔性印制線路板，簡稱軟板，是用柔性的絕緣基材（如聚酯薄膜）制成的印刷電路，可自由彎曲、卷繞、折疊，可依照空間布局要求安排，并在三維空間任意移動和伸縮，從而實現(xiàn)元器件裝配和導(dǎo)線連接的一體化[2]。FPC排線具有配線密度高、結(jié)構(gòu)靈活、重量輕、耐熱性好和抗氧化保護能力強等特點，主要用于人造衛(wèi)星和航天飛機的儀器儀表盤、電子屏蔽系統(tǒng)、魚雷、導(dǎo)彈、火箭的控制系統(tǒng)、聲吶系統(tǒng)等方面[3]，電腦上也有不少地方用到FPC，如硬盤驅(qū)動的連接電纜和帶狀引線、筆記本電腦的主板與液晶顯示連接等[4]。在設(shè)計時FPC排線金手指的表面涂（鍍）層工藝采用的是化學(xué)沉金工藝，該工藝特點是通過化學(xué)反應(yīng)使金粒子結(jié)晶附著到FPC板的焊盤上，易焊接，但金層偏軟、薄、附著力弱，不耐磨，適合焊接的連接方式，不適合壓接的連接方式。而本顯控設(shè)備FPC排線與主板、液晶屏的插座采用的是壓接連接方式，壓接示意圖如圖7所示。FPC排線金手指與插座壓接簧片壓接后，金層持續(xù)受到壓力，經(jīng)過振動和高、低溫等環(huán)境應(yīng)力后，金層慢慢出現(xiàn)凹坑和斷裂，時間越長凹坑越大，金層裂紋也越大，裂化為小金塊并脫落，金層底部的絕緣物溢出到凹坑內(nèi)部，造成與插座壓接簧片之間的連接不可靠。金手指常溫下已出現(xiàn)凹坑變形，在低溫條件下，顯控FPC排線的金手指與插座壓接簧片因冷縮導(dǎo)致連接斷開，造成主板與液晶屏之間的MIPI信號中斷，出現(xiàn)了斷路故障，導(dǎo)致液晶屏在低溫不亮。4改進措施及驗證情況按照GJB7548-2012要求，顯控設(shè)備所使用的FPC排線屬于GJB7548-2012中的板邊連接器類，在采用壓接的連接方式時，經(jīng)分析論證應(yīng)使用附著力強、金層厚度厚、耐磨性和導(dǎo)電性能更好的電鍍金（硬金）工藝。根據(jù)上述分析，開展設(shè)計更改，將顯控設(shè)備FPC排線金手指的表面涂（鍍）層處理工藝由化學(xué)沉金工藝更改為電鍍金工藝，要求金手指部位先鍍鎳再鍍金，鍍鎳厚度大于2.5μm，鍍金厚度大于1.3μm；管理上將新工藝的顯控設(shè)備FPC排線按照重要件進行管控。按照新工藝加工生產(chǎn)了FPC排線，新FPC排線的工作溫度范圍為-65℃～+125℃，按照GJB7548-2012中要求進行溫度沖擊，滿足規(guī)范要求和顯控設(shè)備的工作環(huán)境溫度要求。新舊FPC排線都是由銅箔基材、保護膜、鍍鎳層組成，區(qū)別是金手指導(dǎo)電薄膜表面鍍金工藝更適合壓接方式，理論上更能滿足各試驗的振動應(yīng)力。通過以下手段驗證了工藝改進的效果：首先選擇兩臺顯控設(shè)備分別裝入新舊FPC排線，按照GJB1032-90隨機振動功率譜密度圖進行10min隨機振動，按照GJB150A公路運輸環(huán)境圖譜進行三軸向各1h隨機振動，分別對振動試驗后的新舊FPC排線金手指進行電鏡掃描，選取FPC排線接主板、接顯示屏金手指第13腳，新舊工藝方法的電鏡掃描照片如圖8、圖9所示。經(jīng)過相同的環(huán)境應(yīng)力后，電鍍金工藝的金手指壓接部位只有淺壓痕，沒有出現(xiàn)凹坑、斷裂等損傷現(xiàn)象，而化學(xué)沉金工藝的金手指出現(xiàn)了明顯的凹坑、金層斷裂等損壞現(xiàn)象，說明工藝改進措施準確有效。改進后的顯控設(shè)備通過了805h的可靠性鑒定試驗。5結(jié)束語此次北斗終端顯控設(shè)備液晶屏低溫下不亮故障的主要原因是對于板邊連接器類FPC柔性印制板金手指的表面涂（鍍）層工藝及應(yīng)用掌握不充分，沒有嚴格按照國軍標要求開展設(shè)計，從而造成表面涂（鍍）層工藝的選擇不當。通過深入分析研究和試驗驗證，改進后的FPC排線金手指電鍍金工藝有效地解決了低溫下液晶屏不亮的問題，保證了北斗終端顯控設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性。參考文獻[1]段楠楠，等.地空導(dǎo)彈裝備環(huán)境適應(yīng)性研究與分析[J].裝備環(huán)