CC BY
216
УДК 517.958.53
И. И. Кочегаров, И. В. Ханин, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков, В. Б. Алмаметов
АЛГОРИТМ ВЫЯВЛЕНИЯ ЛАТЕНТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ МЕТОДОМ ОПТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ1
Аннотация. Актуальность и цели. Надежность электронной аппаратуры во многом определяется надежностью межблочного монтажа и печатных плат. Следовательно, контроль изготовления печатных плат на всех этапах их производства с применением автоматизированного оборудования является актуальным. Целью работы является создание виртуального прибора в среде Lab-VIEW, позволяющего выполнить анализ изображения печатной платы на соответствие технологическим нормативам, определить явные и скрытые дефекты. Для скрытых дефектов, не выходящих за пределы допуска, проводится моделирование их поведения во времени и определение вероятности работы печатной платы в течение заданного временного отрезка. Материалы и методы. Для математических моделей распознавания дефектов используются методы структурного и морфологического анализа изображений. Для математических моделей поведения дефектов во времени используются методы конечно-разностного моделирования. Математические модели реализованы в программной среде LabVIEW в виде автономного программного модуля. Результаты. Созданный виртуальный прибор работает в виде автономного модуля, получающего изображение в реальном времени с видеокамеры либо из заранее подготовленного файла изображения. Затем выполняется анализ изображения на предмет поиска явных и скрытых (латентных дефектов). Обнаруженные дефекты накладываются на существующее изображение печатной платы с указанием типа дефекта (заужения печатных дорожек, трещины, смещения центров отверстий и ряд других). Если же параметры печатной платы соответствуют нормативным параметрам, то для мест потенциального сбоя проводится моделирование их поведения во времени и определение вероятности работы печатной платы в течение заданного временного отрезка. Выводы. Разработанные методы поиска дефектов и моделирования поведения дефектов могут найти применение при оптической и рентгенографической инспекции печатных узлов. Виртуальный прибор показал работоспособность концепции и может использоваться для интеграции в существующие технологические линии производства печатных узлов.
Ключевые слова: латентные дефекты, плата печатная, радиоэлектронная аппаратура, неразрушающий контроль, оптическая инспекция.
1.1. Kochegarov, I. V. Khanin, A. V. Lysenko, N. K. Yurkov, V. B. Almametov
ALGORITHM OF REVEALING LATENT PCB DEFECTS BY OPTICAL CONTROL
1 Статья подготовлена в рамках реализации НИР «Создание методологических основ обнаружения и локализации латентных технологических дефектов бортовой радиоаппаратуры космических аппаратов методами неразрушающего контроля и диагностики на этапах производства» (ГК № 14.514.11.4078 от 10.03.2013) в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы».
Abstract. Background. The reliability of the electronic equipment is largely determined by the reliability of interconnect and assembly of printed circuit boards. Consequently, the control of the manufacture of printed circuit boards at all stages of production with the use of automated equipment is important. The aim of the study is to create a virtual instrument in LabVIEW environment, allowing to perform the analysis of the printed circuit board on high technological standards, to unmask obvious and latent defects. For latent defects, that do not fall outside the tolerable limits, their behavior modeling is performed in time and the probability of the circuit board within a predetermined time interval is marked. Materials and methods. Methods of the structural and morphological image analysis are used for the recognition of defects in mathematical models. For mathematical models of the defects behaviour in time the finite-difference simulation method is used. Mathematical models are implemented in the LabVIEW programming environment in a standalone software module. Results. The created virtual device runs as a stand-alone module that receives real-time image from the camera or from a prepared image file. Then the image analysis for revealing the explicit and latent defects is carried out.
The revealed defects are superimposed on an existing image printed circuit board showing the type of defect (narrow lanes printed, cracks, offset hole centers and etc.) If PCB parameters meet regulatory standard parameters, the potential locations for failure simulation is performed in time and the probability of a circuit board within a predetermined time interval is determined. Conclusions. The methods developed for defect detection and modeling of the behavior of the defects can be used in optical and X-ray inspection of printed circuit assemblies. The virtual device showed operational concept and it may be used for integration into existing manu-factoring lines of printed circuit assemblies.
Key words: latent defects, printed circuit Board, electronic equipment, nondestructive control, optical inspection.
Введение
Согласно Концепции развития радиоэлектронного комплекса Российской Федерации по качеству и надежности радиоаппаратуры (РЭА), производящейся для государственных заказчиков, обеспечение запланированных (расчетных) уровней качества и надежности выпускаемой продукции при минимальных (оптимальных) затратах является первостепенной задачей, решению которой уделяется повышенное внимание [1]. Необходимо обеспечить высокие требования по надежности на ранних этапах жизненного цикла РЭА.
Надежность РЭА во многом определяется надежностью межблочного монтажа, а это в основном печатные платы, качество которых закладывается на стадии их проектирования [2]. Отсюда вытекает настоятельная необходимость контроля технологий изготовления печатных плат на всех этапах их производства. Оптический контроль, наравне с электрическим контролем «летающими зондами», является основным видом контроля производства печатных плат. Снижение доли ручного труда в процессе оптической инспекции за счет автоматизации контрольных операций является актуальной задачей.
Программная среда LabVIEW (Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench) предназначена для разработки программного обеспечения измерительных и аналитических систем, систем автоматического управления, контроля и диагностики. Она может быть использована также для моделирования автоматизированных систем и создания приложений, не связанных с автоматизацией управления и измерительного эксперимента. В отличие от
текстовых и текстово-графических сред (Pascal, Delphi, LabWindows/CVI, MeasurementStudio, Visual, VisualC/C++), LabVIEW является графической средой, в которой программы создаются не в виде строк текста, а в форме графических диаграмм [3, 4].
Графические среды программирования можно разделить на объектно ориентированные (InTouch, «ТредаМоуд»), в которых применяются графические образы объектов моделирования, испытаний и управления, и функционально ориентированные (LabVIEW, LabVIEW/DSC, AgilentVEE), использующие графическое представление алгоритмов обработки данных и взаимодействия ЭВМ с внешними устройствами. Графическая диаграмма по сравнению с текстом программы является более наглядной, поэтому графические пакеты легче осваиваются пользователями, не имеющими опыта составления программ на текстовых языках программирования [5].
Программа, созданная в функционально ориентированной графической среде, подобна схеме соответствующего алгоритма или функциональной схеме аппаратной реализации данного алгоритма. Составление, отладка и модификация такой программы могут быть выполнены не профессиональным программистом, а инженером, который ставит задачу и разрабатывает алгоритм функционирования прибора. При этом программа, созданная в графической среде, может быть столь же эффективной, как и ее текстовый аналог.
Программа, созданная в среде LabVIEW, называется виртуальным прибором (ВП) - VirtualInstrument (VI). Аббревиатура VI используется так же, как расширение «*.vi» файлов LabVIEW. Смысл термина «виртуальный прибор» заключается не в абстрактности объектов, создаваемых с помощью данной программы, а в программной имитации работы «физических» приборов и систем. Имея полный набор программных средств ввода-вывода, анализа, обработки, хранения и представления данных, среда LabVIEW позволяет реально воспроизводить функции «физических» приборов, таких как вольтметр, осциллограф или анализатор спектра.
Описание виртуального прибора
В соответствии с техническим заданием математические модели реализованы в виде алгоритма в среде разработки LabVIEW. Итоговым результатом реализации алгоритмов является виртуальный прибор, панель которого представлена на рис. 1. Алгоритм использует морфологические преобразования изображения, такие как дилатация и эрозия (расфокусировка и сжатие) [6, 7].
Виртуальный прибор использует изображение печатной платы, получаемое с видеокамеры в реальном масштабе времени либо заранее подготовленное и сохраненное в файл. После ввода изображения производится его анализ на соответствие технологическим нормативам, тем самым определяются явные дефекты в виде отклонений от допуска, при обнаружении которых плата отбраковывается. Если же параметры печатной платы соответствуют нормативным параметрам, то производится поиск мест потенциального сбоя (латентных, или скрытых, дефектов). Обычно это бывают заужения печатных дорожек, трещины, смещения центров отверстий и ряд других параметров. Выявленные латентные дефекты локализуются, классифицируются и фиксируются в базе данных. Для обнаруженных неявных дефектов проводится моделирование их поведения во времени и определение вероятности работы печатной платы в течение заданного временного отрезка [8-10].
Картинка | Настройки | Бинарный массив | наложение | ласка ] Затраченное время с |5,602
Исходное изображение Восстановленное изображение
1697x228 7Я 8-bit image 0 (371,189)
1
Рис. 1. Лицевая панель виртуального прибора
Обнаруженные дефекты выводятся поверх существующего изображения печатной платы (рис. 1).
Алгоритма поиска дефектов на поле платы
Укрупненный алгоритм поиска дефектов на поле платы показан на рис. 2.
Изображение печатной платы сохраняется в двухмерный массив, затем производятся операции эрозии (сжатия) и дилатации (расфокусировки) над исходным изображением. Задавая параметры этих операций, можно варьировать размеры определяемых дефектов. На рис. 3, 4 показаны результаты выполнения последовательности таких операций для изображения рис. 1 со значениями два пикселя и четыре пикселя соответственно. Выполнив операцию «исключающее или» над исходным и полученным изображением, получим так называемые индикаторные кластеры, представляющие собой области связанных элементов сегмента, которые затем будут анализироваться (рис. 5).
В процессе работы алгоритма (рис. 2) производится сканирование платы, выполняется маркировка индикаторных кластеров и определение количества примыканий к индикаторному кластеру, что в дальнейшем используется для идентификации конкретного типа дефекта.
На рис. 2 М1К, МРЯ - двухмерные массивы данных, в них хранятся номера индикаторных кластеров и примыканий; МРЫК1, МРЫК2 - одномерные массивы данных (в них накапливаются номера первых и вторых примыканий каждого индикаторного кластера); М8У1К - одномерный массив, хранящий связанность индикаторного кластера; КР8, КРК - число строк и столбцов в изображении.
После обнаружения дефектов производится моделирование процессов дальнейшего развития латентных дефектов с целью выявления возможности их развития и превращения в источники потенциального явного отказа.
Рис. 2. Укрупненный алгоритм поиска дефектов на поле платы
В предлагаемом алгоритме предусмотрено распознавание и моделирование шести видов латентных дефектов: сужение и расширение проводника,
вырыв дорожки, вкрапление на плате, трещина, смещение центра отверстия. При этом в ходе моделирования оценивается влияние как климатических факторов, так и внешних механических воздействий [11-13], для моделирования которых используется оригинальная реализация метода конечных разностей [7, 10]. Результаты анализа в виде маркировки мест потенциального сбоя индицируются на исходном изображении путем их вывода поверх изображения печатной платы.
Рис. 3. Обработка изображения со структурным элементом размером два пикселя
Заключение
Таким образом, в результате работы алгоритма, реализованного в среде ЬаЬУ1Е'^ получаем виртуальный прибор автоматизированного оптического контроля качества печатных плат, тестовая эксплуатация которого показала его пригодность для диагностики латентных дефектов печатных плат.
Следует отметить, что достоинством среды LabVIEW является универсальность ее применения - возможность работы виртуального прибора под управлением различных операционных систем (таких как Windows, Мас08 и Linux) и на различных аппаратных платформах (настольные компьютеры, промышленные системы, распределенные решения). При этом программы, созданные с помощью математического обеспечения LabVIEW, могут быть дополнены фрагментами, написанными на языках С/С++, Pascal, Basic, а также программами, созданными в среде математического пакета Matlab.
І5 -
• • • • •
2GL
Ю І5 2G 25
nz = 99
3G
• •
• ••
• •• • • • • • • •
• •••• • •• • • • • -
• •
• •• • •
• •• • • -
• •
Ю -
І5
2G
Ю І5 2G 25
nz = 83
3G
Рис. 4. Обработка изображения со структурным элементом размером четыре пикселя
G
5
G
5
G
5
G
5
♦ * - * * * *
* * * * ****** ♦ *
******* *** * ♦ *
- *********** * * -
*********** ******
* * *
♦ ** ♦ *
- * * * ♦ ♦ -
♦ ♦
О 5 10 15 20 25 30
пі = 27
Рис. 5. Индикаторные кластеры, наложенные на исходное изображение (размер структурного элемента два пикселя)
Поддержка дополнительного функционала (например, библиотек Vision), возможна только в операционных системах семейства Windows. Это не позволяет считать виртуальные приборы, созданные в LabVIEW, полностью кроссплатформенными и работающими во всех операционных системах.
Несмотря на это, реализация предложенных алгоритмов в среде
LabVIEW является оптимальным вариантом для решения задачи автоматизации оптического контроля латентных технологических дефектов печатных
плат.
Список литературы
1. Юрков, Н. К. Технология радиоэлектронных средств : учебник / Н. К. Юрков. -Пенза : Изд-во ПензГУ, 2012. - 640 с.
2. Обзор систем сквозного проектирования печатных плат радиоэлектронных средств / Н. К. Юрков, И. М. Трифоненко, Н. В. Горячев, И. И. Кочегаров // Надежность и качество : тр. Междунар. симпоз. : в 2-х т. / под ред. Н. К. Юркова. -Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012. - Т. 1. - С. 396-400.
3. Тревис, Дж. LabVIEW для всех / Дж. Тревис. - 4-е изд. - М. : ДМК-Пресс,
2011. - 904 с.
4. Жуков, К. Г. Модельное проектирование встраиваемых систем в LabVIEW / К. Г. Жуков. - М. : ДМК Пресс, 2011. - 688 с.
5. Затылкин, А. В. Методика исследования радиоэлектронных средств опытнотеоретическим методом на ранних этапах проектирования / А. В. Затылкин, Д. А. Голушко, А. В Лысенко // Актуальные проблемы радиоэлектроники и телекоммуникаций : материалы Всерос. науч.-техн. конф. - Самара : Изд-во СГАУ,
2012. - С. 165-171.
6. Држевецкий, А. Л. Автоматизированная система оптического допускового контроля печатных плат и фотошаблонов / А. Л. Држевецкий, А. В. Григорьев // Метрология. - 1995. - № 4. - C. 11-18.
7. Гонсалес, Р. Цифровая обработка изображений в среде MatLab / Р. Гонсалес, Р. Вудс, С. Эддинс. - М. : Техносфера, 2006. - 616 с.
8. Кочегаров, И. И. Программный пакет для анализа моделей пластинчатых конструкций / И. И. Кочегаров // Актуальные проблемы науки и образования : тр. Междунар. юбилейного симпоз. - Пенза : Инф.-изд. центр ПензГУ, 2003. - Т. 2. -С. 10-11.
9. Кочегаров, И. И. Моделирование вибрационных воздействий на печатных платах / И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков // Методы и системы обработки информации : сб. науч. ст. - М. : Горячая линия - Телеком, 2004. - Ч. 2. - С. 149-155.
10. Кочегаров, И. И. Программный пакет моделирования механических параметров печатных плат / И. И. Кочегаров, Г. В. Таньков // Надежность и качество : тр. Междунар. симпоз. ; в 2-х т. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПензГУ, 2011. - Т. 2. - С. 335-338.
11. Затылкин, А . В . Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом / А. В. Затылкин, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во ПензГУ, 2012. - Т. 1. - С. 365-366.
12. Затылкин, А. В. Управление исследованиями моделей радиотехнических устройств на этапе проектирования / А. В. Затылкин, А. Г. Леонов, Н. К. Юрков // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - 2012. - № 1(17). -С. 138-142.
13. Затылкин, А . В . Система обработки экспериментальной информации в проектных исследованиях радиотехнических устройств / А. В. Затылкин, Д. В. Оль-хов, Н. К. Юрков // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012. - № 5. - С. 94-99.
References
1. Yurkov N. K. Tekhnologiya radioelektronnykh sredstv: uchebnik [Technology of radio-electronic devices: textbook]. Penza: Izd-vo PenzGU, 2012, 640 p.
2. Yurkov N. K., Trifonenko I. M., Goryachev N. V., Kochegarov I. I. Nadezhnost’ i kachestvo: tr. Mezhdunar. simpoz.: v 2-kh t. [Reliability and quality: proceedings of International symposium: in 2 volumes]. Penza: Izd-vo Penz. gos. un-ta, 2012, vol. 1, pp. 396-400.
3. Trevis Dzh. LabVIEW dlya vsekh [LabVIEW for everyone]. Moscow: DMK-Press, 2011, 904 p.
4. Zhukov K. G. Model’noe proektirovanie vstraivaemykh sistem v LabVIEW [Embedded system model design in LabVIEW]. Moscow: DMK Press, 2011, 688 p.
5. Zatylkin A. V., Golushko D. A., Lysenko A. V. Aktual’nye problemy radioelektroniki i telekommunikatsiy: materialy VNTK [Topical problems of radioelectronics and telecommunication: proceedings of All-Russian scientific and technical conference]. Samara: Izd-vo SGAU, 2012, pp. 165-171.
6. Drzhevetskiy A. L., Grigor'ev A. V. Metrologiya [Metrology]. 1995, no. 4, pp. 11-18.
7. Gonsales R., Vuds R., Eddins S. Tsifrovaya obrabotka izobrazheniy v srede MatLab [Image digital processing in Matlab]. Moscow: Tekhnosfera, 2006, 616 p.
8. Kochegarov I. I. Aktual’nye problemy nauki i obrazovaniya: tr. Mezhdunar. yubileynogo simpoz. [Topical problems of science and education: proceedings of International anniversary symposium]. Penza: Inf-izd. tsentr PenzGU, 2003, vol. 2, pp. 10-11.
9. Kochegarov I. I., Yurkov N. K. Metody i sistemy obrabotki informatsii: sb. nauch. st. [Data processing methods and systems: collected papers]. Moscow: Goryachaya liniya -Telekom, 2004, part 2, pp. 149-155.
10. Kochegarov I. I., Tan'kov G. V. Nadezhnost’ i kachestvo: tr. Mezhdunar. simpoz.; v 2-kh t. [Reliability and quality: proceedings of International symposium: in 2 volumes]. Penza: Izd-vo PenzGU, 2011, vol. 2, pp. 335-338.
11. Zatylkin A. V., Kochegarov I. I., Yurkov N. K. Nadezhnost’ i kachestvo: tr. Mezhdu-nar. simp. [Reliability and quality: proceedings of International symposium]. Penza: Izd-vo PenzGU, 2012, vol. 1, pp. 365-366.
12. Zatylkin A. V., Leonov A. G., Yurkov N. K. Prikaspiyskiy zhurnal: upravlenie i vysokie tekhnologii [Prikaspiysky journal: management and high technology]. 2012, no. 1 (17), pp. 138-142.
13. Zatylkin A. V., Ol'khov D. V., Yurkov N. K. Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Engineering sciences]. 2012, no. 5, pp. 94-99.
Кочегаров Игорь Иванович
кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: kipra@mail.ru
Ханин Илья Владимирович
ассистент, кафедра радиотехники и радиоэлектронных систем, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: enjoy_il@mail.ru
Kochegarov Igor' Ivanovich
Candidate of engineering sciences, associate
professor, sub-department of design
and production of electronic equipment,
Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Khanin Il'ya Vladimirovich Assistant, sub-department of radio engineering and electronics systems,
Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Лысенко Алексей Владимирович
аспирант, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: siori@list.ru
Юрков Николай Кондратьевич
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: yurkov_nk@mail.ru
Алмаметов Валерий Борисович
кандидат технических наук, доцент, кафедра конструирования и производства радиоаппаратуры, Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40)
E-mail: al.valer@mail.ru
Lysenko Aleksey Vladimirovich
Postgraduate student, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Yurkov Nikolay Kondrat'evich Doctor of engineering sciences, professor, head of sub-department of design and production of electronic equipment, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
Almametov Valeriy Borisovich Candidate of engineering sciences, associate professor, sub-department of design and production of electronic equipment, Penza State University (40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 517.958.53 Кочегаров, И. И.
Алгоритм выявления латентных технологических дефектов печатных плат методом оптического контроля / И. И. Кочегаров, И. В. Ханин, А. В. Лысенко, Н. К. Юрков, В. Б. Алмаметов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2013. - № 3 (27). -С.105-114.
