第八章-电子设备的整机装配与调试

第八章 电子设备的整机装配与调试 随着电子技术的不断发展 电子设备广泛应用于社会各领域 其种类也是 多种多样 既有用于工业 航空 航天 军事等领域的大型设备 仪器 也有人 们所熟悉的各种消费类的家用电器 虽然应用领域不同 设备的复杂程度各异 工作原理更是千差万别 但它们都是机电合一的整机结构产品 都是要通过整 机的装联来完成产品制造 本章就电子设备整机的生产过程作以介绍 8 1制造工艺业务的二条业务主线 从宏观的角度上 我们把业务复杂交错的制造工艺分成二大业务主线 即 产品加工业务主线和物流业务主线 8 1 1 产品加工业务主线 制造工艺的主要业务就是对产品加工提供技术支持 其核心业务主线就产 品加工业务主线 制造工艺的产品加工业务运作方式包括 1 按照产品加工工 序路线流程平台横向的运作方式 2 按照产品线职责分工的纵向的运作方式 1 产品线纵向运作方式 如下示意图所示 工艺部门按照产品的开发进度划分了单独负责产品试制 和负责产品量产的部门进行支持 试制人员的主要业务是支持研发设计新产品 导入后的试制和验证工作 为研发设计反馈可制造性设计问题 同时也关注到 前阶段的可制造性需求上 管制人员主要负责量产成熟产品的加工业务 保证 整个制造系统的正常加工及发货 工业工程部门 IE 通过产品线参与IPD的业务运作 主要提供产品标准时 间定制 工艺路线定义 试产规划 人力 资源 产能 场地布局等 以制 造外围成员的角色参与 工作任务由制造代表直接分配 其中基础数据构建是 最主要的输出 在IPD阶段 IE需要了解产品结构 配置 流程 操作过程等 从而评定标准时间 进而定义工艺路线 工艺路线数据也是ISC项目中十分重要 的基础数据 2 产品加工工序路线横向运作方式 产品加工工序路线横向运作方式是制造工艺的核心业务主线 这种平台式 的运行方式贯穿于产品加工的每个工序 制造工艺的核心就是为产品服务也正 体现于此 产品加工环节从大框架上可以分成单板加工 结构测试 功能测试 整机 加工和整机测试五个环节 如下示意图所示 按照平台运作方式 不管是新产品试制还是量产产品发货加工 均按照产 品加工工序路线进行加工 在每个环节都有相应的工艺 设备 工装和工业工程 部门进行平台技术上的支持 工艺部门在平台中的业务主要是对产品加工流程的每个环节建立和维护一 套工艺参数和工艺加工方法 在新产品的试制阶段 工艺的业务是设置和优化 工艺参数和工艺方法 在量产阶段 工艺部门的业务是维护和管制工艺参数和 工艺方法 工艺部门还关注新的工艺技术的发展和引进 同时肩负新的工艺方 法应用到产品制造的过程中去 做到对产品品质的提升和服务 在单板加工环 节采用的工艺平台技术是目前电子行业最新的电子装联技术 也就是常说的 SMT 和 THT 结构测试环节采用的 AOI AXI 和 ICT 技术 设备部门的平台业务除了对每个产品加工环节进行设备的维护 维修和保 养等设备能力提供外 还肩负设备产量规划业务的策划和实施者 同时 工装 及自动化作为设备的补充和延续 更加增大了设备对产品加工提供的高弹性 柔性 同时也增加了产品加工的工艺窗口 工艺和设备在产品加工的每一个环节都是紧密相连的 在设备选型的初期 从客户要求和市场要求的角度提出产品的品质要求 根据品质要求转换为所要 达到的工艺要求 所选型的新设备需按照工艺的要求进行评估和购置 但设备 选型购置后 产品的设计和工艺方法的选择在很大的程度上需要遵循现有设备 的加工能力 这就是我们常说的 DFM 从四大规范关系图中也不难理解这一点 产品的加工不能只是满足能够加工出来 效率问题也是影响产品价格竞争 力的主要影响因素 合理的资源配置和量化的工时管理体现了工业工程 IE 的核心业务 8 2 电子设备的整机装配 8 2 1 电子设备整机装配原则 电子设备整机结构的基本要求是 结构布局科学合理 工作性能稳定可靠 体积小 重量轻 结构紧凑 便于运输 外形美观 操作方便 便于维修 工 艺性能良好 适宜于自动化生产或大批量生产 8 2 2 整机装配的工艺流程 在大批量生产的电子产品的生产组织中 工艺文件实质上就是由反映上述 各阶段工艺特征的文件所组成的 这些阶段可概括为装配准备 部件装配 整 件装配三个阶段 1 装配准备 装配准备主要是为部件装配和整机装配作好材料 工装设备 技术资料和 生产组织等方面的准备工作 2 部件装配 部件是电子设备中的一个相对独立的组成部分 由若干元器件 零件装配 而成 部件装配是整机装配的中间装配阶段 是为了更好地在生产中进行产品 质量管理 更便于在流水线上组织生产 3 整机装配 整机是由检验合格的材料 零件和部件经连接紧固所形成的具有独立结构 或独立用途的产品 整机装配又叫整件装配或整机总装 8 3 电子设备的整机调试 电子设备装配完成之后必须经过调试才能达到设计的技术指标要求 调试 实际上包括调整和测试两方面的工作 整机调试是在组成整机的单元功能电路 板 机械结构 组装部件或分机等进行调试并达到指标要求的基础上 总装后 再对组成整机的可调元件 部件进行调整并对整机各项电气性能进行测试 测 试是指利用手工或自动设备对系统或部件进行测量或评定 以证实其是否满足 规定要求 因此 测试又可分为自动测试和手工测试 外部测试和机内测试 整机调试工作的主要内容 1 明确调试目的 项目和要求 2 正确选择测试仪器仪表 3 按照调试工艺规程对电子设备进行调试 4 分析调试中出现的问题 排除故障 5 对调试数据进行分析处理 作出产品是否合格的结论 或写出调试报 告 提出改进意见 8 3 1 调试工艺文件 1 基本内容 产品的调试是按照调试工艺文件进行的 调试工艺文件是企业的技术部门 根据国家或企业颁布的标准及产品的等级规格拟定的 一般企业标准要高于国 家标准 有的产品为达到更高的质量 还有内控标准 基本内容包括 1 调试设备 方法及步骤 2 测试条件及有关注意事项 3 调试安全操作规程 4 调试所需要的工时定额 数据资料及记录表格 5 测试责任者的签署及交接手续等 除了要测试主要性能指标外 一般电子设备还须进行例行试验 例如温度 湿度 振动 冲击和运输等试验 2 制定原则 1 根据产品的规格等级 性能指标及应用方向确定调试项目及要求 2 充分利用本企业的现有设备条件 使调试方法步骤合理可行 操作者 方便安全 尽量利用先进的工艺技术提高生产效率和产品质量 3 调试内容和测试步骤尽可能具体 可操作性强 测试条件和安全操作 规程要写仔细清楚 测试数据尽可能表格化 便于综合分析 8 3 2 调试仪器的选择使用及布局 1 调试仪器的选择及使用 1 调试用仪器仪表和设备应满足计量和检测要求 仪器仪表的精度应高 于测量所要求的精度 并应有定期计量检定合格证 2 应根据需要选择相应的测量范围和灵敏度的仪器 3 测试仪器输入阻抗的选择 要求在接入被测电路后 产生的测量误差 在允许范围内 或不改变被测电路的工作状态 4 测试仪器量程的选择应满足测量精度的要求 例如 指针式仪表应使 被测量指在满该度值的 2 3 以上的位置 选用数字式仪表的量程时 应使其所 指示的数字位数尽量等于被测量值的有效数字位数 5 使用仪器测试时应选择好量程 调整好零点 有些仪器还需要按规定 预热 灵敏度较高的仪表测试连线应采用屏蔽线 高频测试时 高频插头应直 接触及被测试点 2 调试仪器布局 1 仪器的布置应安全稳定 操作调节方便 观测视差小 2 仪器仪表在测试台上的布局 应避免相互干扰 仪器仪表与被调试整 机之间的连接线应尽量短而整齐 且必须共地线 以避免产生相互感应和耦合 为了避免产生地线电阻耦合 整机输入端所有跨接的仪表地线端应连在一起 与整机输入端地线相连 整机输出端所有跨接的仪表地线端连在一起 与整机 输出端地线相连 图 8 2 测试仪器仪表的布局 8 3 3 整机调试程序和方法 1 整机调试工艺流程 整机调试是在单元部件调试的基础上进行的 单元部件调试的一般工艺流 程为 外观检查 静态调试 测试调整电路各级静态工作点 动态调试 加 输入信号或给定信号 再测试调整各调试点的电压 电流 波形 频率或频率 特性 使其达到技术指标要求 性能指标综合调试 对整个单元部件的性能 指标要求进行综合调试 1 外观检查 检查项目按工艺文件而定 例如收音机一般检查天线 紧固螺钉 电池弹 簧 电源开关 调谐指示 按钮按键插座 有无机内异物 四周外观等项 检 查顺序是先外后内 注意不要有漏检项目 2 结构调试 主要目的是检查整机装配的牢固可靠性及机械传动部分的调节灵活和到位 性 3 通电检查 通电检查注意事项为 通电前应先检查电源极性是否接对 输出电压数值是否合适 一般先将 电源输出电压调至最小 开机后再慢慢调至要求值 还应注意不同类型整机设 备通电程序不同 应按程序操作 否则会损伤设备 通电调试前 还必须检查 被调试的单元 部件或整机有无短路 观察有无元器件相碰 印制电路板上有 无错连 可用万用表测量 用 1 档 电源正负极间是否有短路的方法来检 查 并应检查各连接线 控制开关位置是否正确 整机是否接好负载或假负载 等 一切正常后方可通电 通电后 应观察被测试件有无打火 放电 冒烟或异味 电源及其它仪 表指示是否正常 若有异常应立即按照程序断电 再设法排除故障 并注意如 有高压大容量电容器 应先设法放电 再检修 4 电源调式 电源调试的一般步骤为 电源空载初调 为了避免电源电路未经调试就加载而引起某些电子元器 件损坏 通常先在空载状态下对电源电路进行调试 即切断电源的所有负载 测量通电后电源是否稳定 数值和波形是否符合指标要求或经调整后能达到指 标要求的直流电压输出 电源加载细调 初调正常后加额定负载或假负载 测量并调整电源的各 项性能指标如输出电压值 波纹因数 稳压系数等 使其符合指标要求 当达 到最佳状态时 锁定有关调整元件 有些简单电子设备直接由电池供电 则不需调试电源 5 整机统调 调试好的单元部件装配成整机之后 其性能参数会受到一些影响 因此装 配好整机后应对其单元部件再进行必要的调试 使其功能符合整机要求 6 整机技术指标测试 按照整机技术指标要求及相应的测试方法 对已调整好的整机进行技术指 标测试 判断它是否达到质量要求的技术水平 必要时应记录测试数据 分析 测试结果 写出调试报告 7 老化 按要求对整机进行可靠性测试 老化之后 还应对整机的技术指标进行复 测 合格后入库 8 3 4 功能测试与老化 1 功能测试 1 1 功能测试工序概述 测试系统是现代电子产品制造系统中的重要组成部分 用来检验产品质量 分析产品缺陷 反馈可测性要求 是保证产品质量的重要手段 1 2 功能测试工序作用和目的 测试系统一般包括在线测试系统和功能测试系统 在线测试的目的一般是 为了找出被测单板元器件及连线的故障 而功能测试的目的是测试整机或单板 的功能是否能正常工作 各项功能指标是否满足要求 在线测试系统和功能测 试系统取长补短 相辅相成 共同完成产品的测试任务 在生产系统中的单板 的工艺路线如图一所示 制成板加工完成要经过在线测试 成品板经过高温老 化 再进行功能测试后入库 发货之前 每块单板还要经过在整机环境测试 一般来说 要根据产品的复杂程度 成品率 产量与成熟度来确定是否安排使 用在线测试或功能测试 在线测试属于结构化测试中的一种 可以分为ICT和飞 针两种方式 对于在线测试 一方面 通过ICT可以发现单板上大多数常见缺陷 可以减轻后面测试环节的压力 可以降低测试成本 另一方面 ICT可以促进前 加工工艺水平的改进 所以 新产品中的单板优先考虑使用ICT方法测试 而且 单板越复杂 越要用ICT 原有产品中没有做ICT的 也要在升级时考虑ICT 飞 针式ICT的最大特点就是不需要专门的测试夹具 所以 在产品原型调试阶段 单板经常要升级 这时可以考虑用飞针式ICT的方法 功能测试和在线测试是互为补充的 与在线测试相比 其实现的方式和达 到的效果都不同 对于一些功能非常简单的单板 一般可以考虑只采用 FT 除 此之外一般都会考虑在线测试与功能测试组合的测试策略如果产品非常复杂 成品率低 产量高 一般只需要在线测试设备 如果产品产量高 成品率高而 且成熟 一般只需要功能测试设备 如果产品较复杂 产量高 成品率较高而 且成熟 则既需要在线测试设备也需要功能测试设备 不管有无经过在线测试 和功能测试 产品在发货之前都要经过整机调测确保整机性能 1 3 功能测试工艺和设备的原理 功能测试的定义 功能测试一般是通过被测板的对外接口对它进行测试 测试原理如图1所示 测试装备本身提供各种激励信号源 通过接口激励被测板 同时测试装备接收 被测板的响应信号 并将响应信号和预期结果相比较 最后判断功能的好坏 FIXTURE UUT inputoutput control TESTER stimulatordetectorcontroller 图 1 功能测试的原理框图 UUT 被测物 可能是单板或母板 input 被测板输入信号 output 被测板输出信号 stimulator 模拟部分 为 UUT 提供电源 槽位号 时钟 控制信号 状态信 号等 controller 控制部分 可以是串口 HDLC 扩展总线或邮箱等 用于控制 UUT detector 检测部分 用于测试 UUT 的输出信号 FIXTURE 柔性夹具 用于固定 UUT 功能测试的特点 功能测试主要是面向大批量生产的 它的目的是从单板的外部接口来测试 硬件功能好坏 不是测试单板设计的对与错 优与劣 软件的所有分支以及单 板的总体性能 功能测试前提条件是默认单板的设计是成功的 只是有些单板 在生产的过程中由于种种原因损坏 导致不能正常工作 功能测试可以剔除这 些坏板 功能测试仪一般只需要做与被测试物对应的连接器或夹具 只要对外 接口不变 原有的测试仪就可以用于新的被测板 只需要升级软件即可 所以 功能测试仪对被测板改动的适应能力较强 功能测试仪一般是模拟整机环境 让单板正常工作后 测试其输入输出信号 全面检测其硬件好坏 测试可靠性 高 但由于是在接口处测试 所以故障定位模糊 只能判断单板某些功能的好 坏 如果想定位到具体的芯片还需要作进一步的分析 2 老化 2 1 老化的目的 严格意义上来讲 老化 Burn in 是指采用高温方法对产品施加环境应力 而环境应力筛选 ESS Environment Stress Screen 则不仅包括高温应力 还包括其他很多应力 例如温度循环 随机振动等 如图7所示 所以 老化是 属于环境应力筛选的一种 但现在很多公司已经把 老化 这个词的意义扩展 了 老化就等同环境应力筛选 环境应力筛选俗称为老化 在本文中就沿用 老化 这个词 在电子产品在加工过程中 由于经历了复杂的加工和元器件物料的大量使 用 将引入各种缺陷 即便设计再好的产品亦如此 无论是加工缺陷还是元器 件缺陷 都可分为明显缺陷和潜在缺陷 明显缺陷指那些导致产品不能正常工 作的缺陷 例如短路 断路 而潜在缺陷导致产品暂时可以使用 但在使用中缺 陷会很快暴露出来 产品不能正常工作 例如焊锡不足 产品虽然可以用 但 轻微振动可能就会使焊点断路 明显缺陷可通过常规检验手段 即上面提到的ICT FT等 加以发现 潜在 缺陷则无法用常规检验手段发现 而是运用老化的方法来剔除 如果老化方法 效果不好 则未被剔除的潜在缺陷将最终在产品运行期间以早期失效 或故障 的形式表现出来 从而导致产品返修率上升 维修成本增加 其实 老化还有一个更重要的目的 和测试一样 通过老化使产品加工 工艺不断改进 使元器件品质不断改进 改进到不需要老化为止 单板在老化 以后一定要经过测试 假如在测试中发现某个元器件经常损坏 则说明该器件 有潜在缺陷 需要供应商改进品质 2 2 老化的原理 老化的理论基础是电子产品的故障率曲线 简称浴盆曲线 如图所示 老 化是以剔除早期故障为目标 其理想的老化点为图中的D点 D点的选择主要靠 经验数据 图中的A B C 表示老化程度的不同 A点表示老化不足 老化 后仍有较大比率的缺陷流入市场 而E点则是过老化 这样增加了老化成本 缩 短了产品使用寿命 图 电子产品故障率浴盆曲线图 老化是通过对电子产品施加加速环境应力 如温度应力 电应力 潮热应 力 机械应力等 促使潜在缺陷加速暴露成故障 达到发现和剔除潜在缺陷的 目的 老化不能损坏好的部分或引入新的缺陷 老化应力不能超出设计极限 8 4 电子设备结构性故障的检测及分析方法 在生产过程中 直接通过装配调试 一次合格的产品在批量生产中所占的 比率 称为 直通率 直通率是考核产品设计 生产 工艺 管理质量的重要 指标 在整机生产装配中 经过层层检查 严格把关 可以大大减少整机调试中 出现故障 尽管如此 产品装配好以后 往往还不是一通电就能正常工作的 会由于元器件和工艺等原因 遗留一些有待调试中排除的故障 必须强调指出 在整个生产过程中 如果没有在前道工序 指辅助加工 部件装配与调试 中加以严格控制 未能使局部电路或局部结构的故障得到解 决 或者留下隐患 那么 在总装后必将导致故障层出不穷 非但影响生产进 度 也会降低产品质量 电子设备在生产过程中出现故障是不可避免的 检修 D A B C E 必将成为调试工作的一部分 如果掌握了一定的检修方法 就可以较快地找到 产生故障的原因 使检修过程大大缩短 当然 检修工作主要是靠实践 一个 具有相当电路理论知识的 积累了丰富经验的调试人员 往往不需要经过死板 繁琐的检查过程 就能根据现象很快判断出故障的大致部位和原因 而对于一 个缺乏理论水平和实践经验的人来说 若再不掌握一定的检修方法 则会感到 如同大海捞针 不知从何入手 因此 研究和掌握一些故障的查找程序和排除 方法 是十分有益的 电子设备的故障有两类 一类是刚刚装配好而尚未通电调试的故障 通常 称为早期失效 另一类是正常工作过一段时间后出现的故障 通常称为偶然失 效 它们在检修方法上略有不同 但其基本原则是一样的 所以这里对这两类 故障就不作区分 另外 由于电子设备的种类 型号和电路结构各不相同 故 障现象又多种多样 因此这里只能介绍一般性的检测程序和基本的分析方法 8 4 1 引起故障的原因 总的来说电子设备的故障不外乎是由于元器件 线路和装配工艺三方面的 因素引起的 常见的故障大致有如下几种 1 焊接工艺不善 虚焊造成焊点接触不良 2 由于空气潮湿 导致元器件受潮 发霉 或绝缘性降低甚至损坏 3 元器件筛选检查不严格或由于使用不当 超负荷而失效 4 开关或接插件接触不良 5 可调元件的调整端接触不良 造成开路或噪声增加 6 连接导线接错 漏焊或由于机械损伤 化学腐蚀而断路 7 由于排布不当 元器件相碰而短路 焊点连接导线时剥皮过多或因热后 缩 与其它元器件或机壳相碰引起短路 8 因为某些原因造成产品原先调谐好的电路严重失调 9 电路设计不完善 允许元器件参数的变动范围过窄 以至元器件的参数 稍有变化 电路就不能正常工作 以上列举的都是电子设备的一些常见故障 也就是说 这些是电子设备的 薄弱环节 是查找故障时的重点怀疑对象 但是 电子设备的任何故障都会导 致它不能正常工作 应该按照一定程序 采取逐步缩小范围的方法 根据电路 原理进行分段检测 使故障局限在某一部分 部分 单元 具体电路 之中再 进行详细的查测 最后加以排除 8 4 2 排除故障的一般程序和方法 1 排除故障的一般程序 排除故障的一般程序可以概括为三个过程 1 调查研究是排除故障的第一步 应该仔细地摸清情况 掌握第一手资 料 2 进一步对产品进行有计划的检查 并作详细记录 根据记录进行分析 和判断 3 查出故障原因 修复损坏的元件和电路 最后 再对电路进行一次全面 的调整和测定 2 排除故障的分析方法 具体的排除故障的方法归纳为以下十二种 对于某一产品的调试检测而言 要根据需要灵活选择 组合使用这些方法 1 不通电观察法 在不接通电源的情况下 打开产品外壳进行观察 用直观的办法和使用万 用表电阻档检查有无断线 脱焊 短路 接触不良 检查绝缘情况 保险丝通 断 变压器好坏 元器件情况等等 如果电路中有改动过的地方 还应该判断 这部分的元器件和接线是否正确 查找故障 一般应该首先采用不通电观察法 因为很多故障的发生往往是 由于工艺上的原因 特别是刚装配好还未经过调试的产品或者装配工艺质量很 差的产品 而这种故障原因大多数单凭眼睛观察就能发现 盲目地通电检查有 时反而会扩大故障范围 注意 只有当采用不通电观察法不能发现问题时 才可以采用下面的需要 通电才能检查的方法 2 通电观察法 打开产品外壳 接通电源进行表面观察 这仍属于现象观察的方法 通过 观察 有时可以直接发现故障的原因 例如 是否有冒烟 烧焦 跳火 发热 的现象 如遇这些情况 必须立即切断电源分析原因 再确定检修部位 如果 一时观察不清 可重复开机几次 但每次时间不要长 以免扩大故障 必要时 断开可疑的部位再进行试验 看故障是否消失 3 信号替代法 利用不同的信号加入待修产品的有关单元的输入端 替代整机工作时该级 的正常输入信号 以判断各通讯