某型显控设备液晶屏低温环境下不亮故障分析

某型显控设备液晶屏低温环境下不亮故障分析

摘要：针对某型北斗终端显控设备在低温环境下液晶屏不亮故障进行分析排查，找出具体故障部位，结合电镜扫描分析确认了故障产生的机理，提出改进方案，并进行了改进效果验证，有效地解决了FPC柔性线路板金手指设计工艺缺陷，提高了设备的环境适应性和可靠性。关键词：液晶屏；FPC；金手指；电镜扫描；化学沉金；电镀金Keywords：LCDscreen；FPC；goldenfinger；scanningelectronmicroscope；chemicalgoldprecipitation；electroplatedgold0引言为了给某系列武器装备展开阶段提供快速准确的定位定向基准，为装备作战使用过程提供精确稳定的时间信号和信息，提供北斗短消息通信、导航手段，摆脱对全球定位系统（GPS）的依赖，研制了某型军用北斗终端设备。该终端设备由主机、显控设备、天线及配套电缆组成，其中，显控设备用于装载电子地图数据、显控软件，实现定位、定向、导航和北斗短信息的应用操作。该系列装备型号多样，部署地域广泛，所处的自然环境差异大。最冷的地区最低气温达-48℃、地面温度达-53℃，最热的地区最高气温达+47.6℃、地面温度达+75℃，最大相对湿度达95%[1]，故对北斗终端设备的环境适应性、可靠性有很高的要求，需要经过严酷的环境、可靠性试验考核。1故障情况被试北斗终端显控设备在可靠性鉴定试验第一循环低温工作测试点（先进行-55℃保持4h，升温至-40℃保持4h）通电测试中液晶屏不亮，关机后重启电源液晶屏仍不亮，恢复常温后再次重启电源，故障消失。被试产品在参试可靠性鉴定试验之前，陆续通过了环境应力筛选、环境摸底试验和环境鉴定试验（包括高低温贮存和工作、湿热、随机振动、冲击等试验）、常温426h可靠性拷机及电磁兼容性试验。2故障定位及分析为了便于分析问题，查找故障原因，首先梳理出显控内外部信号链路关系，如图1所示。显控设备由主板、FPC柔性线路板（下称“FPC排线”）、液晶屏及壳体组成。显控设备的输入数据和电源信号由北斗终端设备主机通过显控电缆送入，显控设备主板加电后，主板上的CPU程序启动，通过接口芯片将电源、接口数据和时钟信号从FPC柔性线路板传送到液晶屏上，时序匹配后液晶屏点亮。其中，连接主板和液晶屏的FPC排线为39PIN，第10、27、29脚是主板的接口芯片输出电源，第12、13、15、16、21、22、24、25脚是主板接口芯片输出的MIPI数据信号，第18、19脚是主板输出的时钟信号，其他点未用。由液晶屏工作原理可知，电源、MIPI信号、时钟信号任意一个不正常都会造成液晶屏不亮，即以下多种原因均可导致液晶屏不亮：主机供电异常、显控主板异常、液晶屏本身故障和显控FPC排线异常，故障树如图2所示。根据显控工作连接示意图和故障树图进行逐项故障排查。2.1主机供电故障检查北斗終端设备主机提供直流5V电压，经过显控电缆传输到显控设备内部电缆，为显控主板供电。将被试主机、显控电缆放入高低温箱内，与箱外的显控设备连接后，按照故障发生时的环境条件进行试验，即-55℃贮存保持4h升温至-40℃保持4h，主机加电后使用万用表测量显控内部电缆连接显控主板端有5V电压，并且检测到显控主板内的软件已发送读卡指令到主机上。上述测试过程证明显控液晶屏在低温不亮时，北斗终端设备主机已给显控主板加电成功，且显控主板的操作系统已正常工作，因此排除底事件X1、X2、X3。2.2显控主板故障检查采用将主板单独放置在低温环境下工作的方法进行排查。由于原FPC排线过短，故按照相同工艺订制了30cm长的FPC排线（见图3），将显控设备的主板、液晶屏隔离分别放置于高低温箱内外，排查显控主板是否故障。降温至-55℃保持4h，升温至-40℃并保持4h，从第5h开始每隔半小时通断电3次，每次加电液晶屏都亮，主板都能正常工作，持续3天未发现故障。液晶屏正常显示时，测量主板插座输出端的电源信号、MIPI信号、时钟信号波形，都正常，说明主板没有故障，排除底事件X4、X5、X6。2.3显控液晶屏故障检查将主板和液晶屏在高低温箱内外互换，试验排查液晶屏是否故障。采用与主板相同的排查方法进行试验测试，被试液晶屏未发现故障，排除底事件X7、X8。2.4FPC排线故障检查排除主机、显控主板、液晶屏故障后，初步确定使用的FPC排线发生了故障。对X9、X10、X11等3个底事件逐一排查。首先使用万用表分别在常温及-40℃环境下测量FPC排线每个端子的通断，每个金手指两端都导通。正面FPC柔性排线导通正常，排除底事件通断故障X9。这样，故障部位就孤立在FPC排线两端的金手指。金手指是主板插座/液晶屏插座与柔性排线的连接部件，由多个金黄色的导电触片组成，因其表面镀金而且导电触片排列如手指状而称为“金手指”。进行排查时重新安装了原FPC排线，在低温下多次试验故障均未复现。但肉眼观测FPC排线两端的金手指（与主板、液晶屏插座的压接处）均有小凹坑，使用普通放大镜观测发现，接主板金手指的凹坑比较明显，如图4所示。严重的凹坑可能会引起与主板的插座压接簧片接触不良，故进行深入排查。多次重新拆装FPC排线金手指与主板端插座，每拆装一次进行一次通电操作，结合低温环境观察液晶屏是否点亮。连续两天出现两次液晶屏不亮，保持不亮时的状态不变，重新断电重启仍不亮，恢复常温时通电恢复正常。此时使用示波器测量各管脚的信号波形，发现两次都是FPC排线第13脚接主板端的MIPI数据信号不正常（主板插座上该点的信号正常），导致液晶屏收不到该信号。示波器测试结果如图5所示。2.5故障定位根据排查情况分析，确定故障为主板插座与FPC排线接主板金手指第13脚连接不可靠造成液晶屏不亮。为了进一步验证故障定位是否准确，对FPC排线金手指凹坑进行电镜扫描，放大1000倍（见图6）后观察，每个金手指都出现凹坑、不同程度的断裂和绝缘物沾染，FPC排线接主板插头金手指第13脚凹坑最为严重，出现贯穿性断裂，内部镀金层大量断裂并脱落，绝缘物沾染面积超过40%，导致该点与主板插座的金属簧片处于连接不可靠的状态。3故障机理分析本显控设备采用的FPC排线属于柔性印制线路板，简称软板，是用柔性的绝缘基材（如聚酯薄膜）制成的印刷电路，可自由弯曲、卷绕、折叠，可依照空间布局要求安排，并在三维空间任意移动和伸缩，从而实现元器件装配和导线连接的一体化[2]。FPC排线具有配线密度高、结构灵活、重量轻、耐热性好和抗氧化保护能力强等特点，主要用于人造卫星和航天飞机的仪器仪表盘、电子屏蔽系统、鱼雷、导弹、火箭的控制系统、声呐系统等方面[3]，电脑上也有不少地方用到FPC，如硬盘驱动的连接电缆和带状引线、笔记本电脑的主板与液晶显示连接等[4]。在设计时FPC排线金手指的表面涂（镀）层工艺采用的是化学沉金工艺，该工艺特点是通过化学反应使金粒子结晶附着到FPC板的焊盘上，易焊接，但金层偏软、薄、附着力弱，不耐磨，适合焊接的连接方式，不适合压接的连接方式。而本显控设备FPC排线与主板、液晶屏的插座采用的是压接连接方式，压接示意图如图7所示。FPC排线金手指与插座压接簧片压接后，金层持续受到压力，经过振动和高、低温等环境应力后，金层慢慢出现凹坑和断裂，时间越长凹坑越大，金层裂纹也越大，裂化为小金块并脱落，金层底部的绝缘物溢出到凹坑内部，造成与插座压接簧片之间的连接不可靠。金手指常温下已出现凹坑变形，在低温条件下，显控FPC排线的金手指与插座压接簧片因冷缩导致连接断开，造成主板与液晶屏之间的MIPI信号中断，出现了断路故障，导致液晶屏在低温不亮。4改进措施及验证情况按照GJB7548-2012要求，显控设备所使用的FPC排线属于GJB7548-2012中的板边连接器类，在采用压接的连接方式时，经分析论证应使用附着力强、金层厚度厚、耐磨性和导电性能更好的电镀金（硬金）工艺。根据上述分析，开展设计更改，将显控设备FPC排线金手指的表面涂（镀）层处理工艺由化学沉金工艺更改为电镀金工艺，要求金手指部位先镀镍再镀金，镀镍厚度大于2.5μm，镀金厚度大于1.3μm；管理上将新工艺的显控设备FPC排线按照重要件进行管控。按照新工艺加工生产了FPC排线，新FPC排线的工作温度范围为-65℃～+125℃，按照GJB7548-2012中要求进行温度冲击，满足规范要求和显控设备的工作环境温度要求。新旧FPC排线都是由铜箔基材、保护膜、镀镍层组成，区别是金手指导电薄膜表面镀金工艺更适合压接方式，理论上更能满足各试验的振动应力。通过以下手段验证了工艺改进的效果：首先选择两台显控设备分别装入新旧FPC排线，按照GJB1032-90随机振动功率谱密度图进行10min随机振动，按照GJB150A公路运输环境图谱进行三轴向各1h随机振动，分别对振动试验后的新旧FPC排线金手指进行电镜扫描，选取FPC排线接主板、接显示屏金手指第13脚，新旧工艺方法的电镜扫描照片如图8、图9所示。经过相同的环境应力后，电镀金工艺的金手指压接部位只有浅压痕，没有出现凹坑、断裂等损伤现象，而化学沉金工艺的金手指出现了明显的凹坑、金层断裂等损坏现象，说明工艺改进措施准确有效。改进后的显控设备通过了805h的可靠性鉴定试验。5结束语此次北斗终端显控设备液晶屏低温下不亮故障的主要原因是对于板边连接器类FPC柔性印制板金手指的表面涂（镀）层工艺及应用掌握不充分，没有严格按照国军标要求开展设计，从而造成表面涂（镀）层工艺的选择不当。通过深入分析研究和试验验证，改进后的FPC排线金手指电镀金工艺有效地解决了低温下液晶屏不亮的问题，保证了北斗终端显控设备的环境适应性和可靠性。参考文献[1]段楠楠，等.地空导弹装备环境适应性研究与分析[J].装备环