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(duì)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(jìn)行分析排查，找出具體故障部位，結(jié)合電鏡掃描分析確認(rèn)了故障產(chǎn)生的機(jī)理，提出改進(jìn)方案，并進(jìn)行了改進(jìn)效果驗(yàn)證，有效地解決了FPC柔性線路板金手指設(shè)計(jì)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： LCD screen；FPC；golden finger；scanning electron microscope；chemical gold precipitation；electroplated gold

0 引言

為了給某系列武器裝備展開階段提供快速準(zhǔn)確的定位定向基準(zhǔn)，為裝備作戰(zhàn)使用過程提供精確穩(wěn)定的時(shí)間信號(hào)和信息，提供北斗短消息通信、導(dǎo)航手段，擺脫對(duì)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(jī)、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(shí)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(hào)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(dá)-48℃、地面溫度達(dá)-53℃，最熱的地區(qū)最高氣溫達(dá)+47.6℃、地面溫度達(dá)+75℃，最大相對(duì)濕度達(dá)95%[1]，故對(duì)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(yán)酷的環(huán)境、可靠性試驗(yàn)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(yàn)第一循環(huán)低溫工作測(cè)試點(diǎn)（先進(jìn)行-55℃保持4h，升溫至-40℃保持4h）通電測(cè)試中液晶屏不亮，關(guān)機(jī)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(yàn)之前，陸續(xù)通過了環(huán)境應(yīng)力篩選、環(huán)境摸底試驗(yàn)和環(huán)境鑒定試驗(yàn)（包括高低溫貯存和工作、濕熱、隨機(jī)振動(dòng)、沖擊等試驗(yàn)）、常溫426h可靠性拷機(jī)及電磁兼容性試驗(yàn)。

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(hào)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(hào)由北斗終端設(shè)備主機(jī)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(dòng)，通過接口芯片將電源、接口數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)從FPC柔性線路板傳送到液晶屏上，時(shí)序匹配后液晶屏點(diǎn)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(hào)，第18、19腳是主板輸出的時(shí)鐘信號(hào)，其他點(diǎn)未用。

由液晶屏工作原理可知，電源、MIPI信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)任意一個(gè)不正常都會(huì)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(jī)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(jìn)行逐項(xiàng)故障排查。

2.1 主機(jī)供電故障檢查

北斗終端設(shè)備主機(jī)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(jī)、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(shí)的環(huán)境條件進(jìn)行試驗(yàn)，即-55℃貯存保持4h升溫至-40℃保持4h，主機(jī)加電后使用萬用表測(cè)量顯控內(nèi)部電纜連接顯控主板端有5V電壓，并且檢測(cè)到顯控主板內(nèi)的軟件已發(fā)送讀卡指令到主機(jī)上。上述測(cè)試過程證明顯控液晶屏在低溫不亮?xí)r，北斗終端設(shè)備主機(jī)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(dú)放置在低溫環(huán)境下工作的方法進(jìn)行排查。由于原FPC排線過短，故按照相同工藝訂制了30cm長(zhǎng)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(shí)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(shí)，測(cè)量主板插座輸出端的電源信號(hào)、MIPI信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)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(yàn)排查液晶屏是否故障。采用與主板相同的排查方法進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，被試液晶屏未發(fā)現(xiàn)故障，排除底事件X7、X8。

2.4 FPC排線故障檢查

排除主機(jī)、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(duì)X9、X10、X11等3個(gè)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(cè)量FPC排線每個(gè)端子的通斷，每個(gè)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(gè)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(jìn)行排查時(shí)重新安裝了原 FPC排線，在低溫下多次試驗(yàn)故障均未復(fù)現(xiàn)。但肉眼觀測(cè)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(cè)發(fā)現(xiàn)，接主板金手指的凹坑比較明顯，如圖4所示。

嚴(yán)重的凹坑可能會(huì)引起與主板的插座壓接簧片接觸不良，故進(jìn)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(jìn)行一次通電操作，結(jié)合低溫環(huán)境觀察液晶屏是否點(diǎn)亮。連續(xù)兩天出現(xiàn)兩次液晶屏不亮，保持不亮?xí)r的狀態(tài)不變，重新斷電重啟仍不亮，恢復(fù)常溫時(shí)通電恢復(fù)正常。此時(shí)使用示波器測(cè)量各管腳的信號(hào)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(hào)不正常（主板插座上該點(diǎn)的信號(hào)正常），導(dǎo)致液晶屏收不到該信號(hào)。示波器測(cè)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(jìn)一步驗(yàn)證故障定位是否準(zhǔn)確，對(duì)FPC排線金手指凹坑進(jìn)行電鏡掃描，放大1000倍（見圖6）后觀察，每個(gè)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(yán)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(diǎn)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(jī)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(jiǎn)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(dòng)和伸縮，從而實(shí)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(hù)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，主要用于人造衛(wèi)星和航天飛機(jī)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(dòng)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(jì)時(shí)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(diǎn)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(dòng)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(shí)間越長(zhǎng)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(hào)中斷，出現(xiàn)了斷路故障，導(dǎo)致液晶屏在低溫不亮。

4 改進(jìn)措施及驗(yàn)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(shí)，經(jīng)分析論證應(yīng)使用附著力強(qiáng)、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(jì)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(jìn)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(jìn)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(hù)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(yàn)的振動(dòng)應(yīng)力。通過以下手段驗(yàn)證了工藝改進(jìn)的效果：首先選擇兩臺(tái)顯控設(shè)備分別裝入新舊FPC排線，按照GJB 1032-90隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度圖進(jìn)行10min隨機(jī)振動(dòng)，按照GJB 150A公路運(yùn)輸環(huán)境圖譜進(jìn)行三軸向各1h隨機(jī)振動(dòng)，分別對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)后的新舊FPC排線金手指進(jìn)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(jìn)措施準(zhǔn)確有效。改進(jìn)后的顯控設(shè)備通過了805h的可靠性鑒定試驗(yàn)。

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(duì)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(yán)格按照國(guó)軍標(biāo)要求開展設(shè)計(jì)，從而造成表面涂（鍍）層工藝的選擇不當(dāng)。通過深入分析研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)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(xiàn)

[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)境工程，2009，6（6）：88-91.

[2]陳峰，王春. FPC技術(shù)在信息模塊中的應(yīng)用分析[J].智能建筑與城市信息，2010（3）：92-94.

[3]李文圃. 撓性電路板的應(yīng)用與發(fā)展[J]. 網(wǎng)印工業(yè)，2004（5）：8-11.

[4]余德超，談定生. 撓性印制電路板技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 上海有色金屬，2006（3）：44.

作者簡(jiǎn)介

馮云，高級(jí)工程師，主要從事裝備維修保障、國(guó)產(chǎn)化技術(shù)研究及北斗接收機(jī)加改裝等。