调试多层 PCB?

电器工程 pcb设计 调试 多层
2022-01-15 13:02:11

与调试板上的实际硬件/软件无关……

我最近制作了我的第一块 6 层 PCB,它是一块 50mmx50mm 的板,具有以下叠层:

  • 信号
  • 地面
  • 信号
  • 信号
  • 力量
  • 信号

实际信号类型与这个问题无关,我发现的问题是3.3V和GND短接在一起。起初我认为电路板上的某些组件短路了,所以我用显微镜检查了整个电路板,寻找短路/歪斜的组件,但找不到任何东西。最后我拿了一块空白 PCB,发现它在 3.3V 和 GND 之间也显示短路。

我检查了我的 PCB 工具,在 3.3V 和 GND 之间找不到任何短路,甚至检查了 0R 电阻跳线。我无法在视觉上看到任何错误。

有哪些方法可以识别问题区域?我剩下的唯一事情是制造不良(10 个电路板副本,其中 2 个已填充),例如短路的通孔。你将如何寻找短线?如果它像一个坏的一样简单,我也许可以把它钻出来。

我曾想过插入 PCB 并让它加热并找到热点,但板载稳压器具有针对短路输出的关闭功能。我唯一能想到的另一件事是 X 射线,但除了对我来说无法接近之外,我不确定它是否可以通过坚固的接地层或电源层来查看内部层。

如何对多层 PCB 进行“事后”分析以找出故障?我应该把板子切成越来越小的块,直到我分离出足够小的部分吗?

4个回答

如果您有一个限流的台式电源,请将其设置为 2 或 3 安培,并将其连接在裸板上的电源和接地之间。(更好的是:从 100 mA 开始,如果它没有短路,则将其提升到 2 或 3 A)

现在用一个合理的电压表探测,看看电源网的哪一部分最接近地电位。你的空头就在附近。

在所有层上找到一个清晰的点,例如未连接电源或接地的过孔;如果您通过板的背面照射光线,应该有一个可见的环形环。(由于连接信号走线,当然不是一直绕过去,但应该可以看到某种破损的甜甜圈段。)存在制造公差,但如果通孔明显远离中心或内层之一严重未注册,圆环将部分或完全阻塞。如果角落里有安装孔,别忘了也检查一下。

多年来,我和我的同事一直被糟糕的 PCB 供应商烧毁,无论是便宜的还是优质的。制造不良的 PCB 很少见,但有时确实会发生。我曾经有过 100 万美元的设计损失,原因是当地一家优质 PCB 供应商 (1) 通过编辑 gerber 文件修改了我们的设计,他显然认为该设计需要将大量 WLP IC 信号引脚接地,并且 (2 ) 同一位 PCB 供应商技术人员还修改了我们的网表,以欺骗他的 QA 测试使其通过,因为它检测到他在现在更像是“他的”设计而不是“我们的”设计中引入的短裤。多年以后,我仍然对这件事感到愤怒。当我们用我们的证据与 PCB 供应商对质时,他们承认这都是他们的错,并给了我们 50% 的退款。该供应商现在被永久禁止。

作为一种防御措施,有时我会在角落留下一个清晰的区域,使用全层基准标记来测试层到层的配准,另外还有一个唯一的层 ID,例如 1/2/3/4/5/6验证没有丢失的内层艺术品。如果地平面良好且坚固,则很难测试配准错误或缺失层。有时我们习惯于从廉价供应商那里获得非常高质量的 PCB,我们忘记包括这些传入的 QA 防御措施。

这是一个较晚的答案,扩展了The Photon的答案。我意识到现在很少有人会看到这个,但是当将来有类似问题时我可以参考它。在我漫长的职业生涯中,我在我工作的大公司被称为寻找短裤的专家,所以除了我自己项目中的短裤,其他人会向他们的董事会寻求帮助,我隔离了很多短裤这些年来。

OP 给我发了一个简短的 PWB,这样我就可以记录该过程的一些细微差别。我正在描述电源接地短路的过程,由于涉及的电阻低,这些通常是最难找到的。

要将电流注入短路,将导线焊接到 PWB 上。您至少需要 3 个,电源、接地和一个参考点。参考点将是电源或接地,从接地开始,因为大多数 PWB 将有更多接地点可供访问。不要试图与电流注入线共享参考,因为您正在测量微小的电压,这些线上的电压降会淹没飞机上的电压降。有电流流动的电线会发热,电压降会漂移,从而使隔离过程变得更加困难或不可能。

我通常将注入点放在电路板的两端。如果短路接近注入点,结果可能会令人困惑。这样,短路将远离至少一个注入点。参考点连接应靠近注入点,但尽量不要将其放置在表面迹线将共享电流的地方。或者,您可能遇到上一段中描述的相同问题。

在图中,鳄鱼夹连接到电流注入点,Q-ball 连接到接地参考点。

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平面上的电压降将在毫伏范围内,因此您需要灵敏度提高 100 或 1000 倍的东西来找到电压梯度。理想情况下,您需要一个具有微伏或更好分辨率的电压表,但是,对于某些情况,10 微伏的分辨率可能就足够了。

小公司或爱好者可能没有足够灵敏的仪表。但是,构建一个 1000X 放大器并不难。最常见的数字万用表具有 1 毫伏的分辨率。1000X 放大器将为您提供微伏分辨率。有关如何构建 1000X 放大器的更多详细信息,请参阅此答案的底部。

使用实验室电源,将电压设置为 0.5V。如果短路打开,您希望它足够低,以防止损坏已填充的 PWB。将电流限制设置为几百毫安。您可能需要稍后增加它以在平面中获得足够的电压梯度。我在这个例子中使用了 500 mA。

首先,我假设参考点在地网上。使用艺术品和/或原理图作为参考,探测 PWB 上的接地点,寻找最大的电压差。试着想象平面中流动的电流。铜平面中的电流会导致微小的电压降。您不需要探测电路板上的每个接地点,如果电压越来越小,则说明您正朝着错误的方向移动。

当您找到最高电压降时,这通常会为您提供足够的线索来找出问题所在。对于此 PWB,短路位于两个连接器安装孔内,这些孔被镀通并接地。查看艺术品确认电源平面没有在孔周围清除,导致短路。

如果结果看起来令人困惑,有时将注入点移动到另一个位置可能会有所帮助。

为了确认,我通常将参考点移动到电源网络并重复测量,这一次探测 PWB 上的电源点。这个 PWB 没有很多表面电源连接,所以这不是很有用。

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如何构建 1000X 放大器:

我查看了我的零件库,找到了最合适的运算放大器,即 LT1492。你需要一个输入失调电压低的运放,很多普通的运放都行不通;由于电路增益很高,超过几毫伏的偏移会使输出饱和。LT1492 运算放大器具有 180uV 的最大输入失调。还有许多其他运算放大器具有如此低或更好的偏移量。如果您有大量具有高最坏情况电压偏移的运算放大器,您可能会很幸运并通过反复试验找到具有低电压偏移的运算放大器。

输出中的一点偏移是可以的,因为我们正在寻找电压差。我使用的 LT1492 在输入短路的情况下产生 0.02 V 的输出电压(对应于输入端的 20 uV)。

运算放大器输入偏置电流规格并不那么重要,因为电路输入阻抗很低。

当您创建一个小测试电路来帮助您解决问题时,您希望它尽可能简单。不要创建另一个问题来进行故障排除。

我不建议使用无线面包板。如果您没有经验,我建议您构建它尽可能与我的相似。我使用了一个小型 perf 板、一个 20 AWG 接地总线和 24 AWG 用于其他接线。

我建议您使用电池为其供电,这样您就不必担心任何影响测量的电源噪声。我使用了两个串联的 9V 电池和一个 DPDT 滑动开关。如果您对运算放大器有一定的经验,您可以使用第二个运算放大器创建一个虚拟接地,并且只使用一节电池。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

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我没有任何带尖头的仪表探头,因为世界对诉讼越来越偏执,这些不再那么常见了。我用缝纫针做了一个探针。我把针用环氧树脂粘在一根小木棍上,这样更容易处理。

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听起来像电压表方法是最好的。

但是你也可以进行二分搜索。拿一块裸板,把它切成两半。检查两半是否短路。丢弃没有短路的一半。将剩下的一半再次切成两半并重复。在某些时候(令人惊讶的少量切割),你会留下这么小的一块,你可以很容易地找到短片。

如果在切割后短路消失了,那么短路在锯的切口线上。

此外,如果您有一台热像仪,如果您允许几个安培电流通过短路到 GND,您可能能够找到一个热点。但我认为其他人已经提出了这种方法。