CC BY
105
Интерактивная система диагностики печатных плат
Артамонов ЕИ, Касаткин С.И, Ромакин ВА, Муравьев А.М., ИПУ РАН
Новым перспективным направлением диагностики печатных плат в приборостроении является диагностика по создаваемым ими поверхностным близлежащим магнитным полям. Своим появлением оно обязано с одной стороны большим успехам в развитии вычислительных методов и техники, а с другой стороны — новым возможностям, предоставляемым полупроводниковой и магнитной микро- и наноэлектроникой. Диагностировать печатные платы можно как с нанесенными компонентами, так и без них.
Для испытаний и диагностики отказов печатных плат с нанесенными компонентами в мире выпускается автоматизированное испытательное оборудование. Оно производит специальные испытания, интерпретирует результаты этих испытаний и автоматически определяет причины отказов. При этом диагностика причин отказов в настоящее время требует больших затрат времени, связанных с необходимостью учета разброса параметров проверяемых печатных плат, а использование многослойных печатных плат и сверхбольших интегральных схем усложняет процесс диагностики.
В существующих установках для контроля печатных плат при испытаниях используется большое количество специально сконструированных внешних контактов, через которые проверяется реакция расположенных на печатной плате электронных узлов на внешние тестовые воздействия. Такого рода принцип диагностирования требует достаточно сложной конструкции контактов для обеспечения надежного подсоединения к проводникам печатной платы. Использование этого принципа возможно только до момента покрытия всей платы лаком, что затрудняет диагностирование плат, бывших в употреблении. Из-за последовательного характера исследования отдельных узлов печатной платы на весь процесс диагностирования требуется сравнительно много времени.
Новый, более эффективный подход к диагностике состоит в интегральном анализе процесса функционирования электронной схемы без непосредственного контакта с проводниками печатной платы. При таком подходе исследуются различные поля, излучаемые электронной схемой.
В работе рассматривается интерактивная система диагностики печатных плат на основе анализа двумерного распределения магнитных полей, создаваемых работающей печатной платой. Система включает технические средства и программное обеспечение.
Технические средства включают многослойный тонкопленочный анизотропный магниторезистивный (АМР) датчик магнитного поля (далее просто датчик), устройство усиления, оцифровки, обработки и передачи сигналов датчика, плоттер, устройство крепления печатной платы и датчика на плоттере, персональный компьютер. Для позиционирования датчика в плоскости печатной платы используется плоттер, управляемый с помощью программного обеспечения системы. При этом печатная плата устанавливается на планшет плоттера, а датчик — на печатающую головку плоттера. Для связи персонального компьютера с плоттером и датчиком используется интерфейс RS-232.
Схема взаимодействия технических средств показана на рис. 1. Стрелки, входящие в блок слева направо, обозначают передачу данных; стрелки, входящие в блок сверху, обозначают управляющие сигналы (для позиционирования головки плоттера с помощью программного обеспечения системы); стрелки, входящие в блок снизу, обозначают механизмы крепления печатной платы и датчика на плоттере.
Программное обеспечение включает (рис. 2) блоки управления процессом перемещения датчика, приема сигналов датчика, визуализации результатов измерений, диагностирования мест неисправности, а также средства взаимодействия пользователя с программным комплексом диагностирования.
Блок управления процессом перемещения датчика генерирует код в формате языков Gerber с требуемым способом сканирования печатной платы и передает этот код на вход плоттеру. Для генерации кода необходимо предварительно создать модель печатной платы, которая представляет собой совокупность двумерного графического изображения печатной платы, размеров печатной платы и ее местоположения на планшете плоттера. Затем необходимо задать маршрут, шаг и другие параметры сканирования. Результатом сканирования печатной платы является модель электромагнитных полей платы.
Блок приема сигналов датчика работает совместно с блоком управления процессом перемещения датчика и считывает поступающие значения сигналов от датчика (с блока усиления и предварительной обработки). Для повышения точности сканирования в каждой точке сканирования считывается несколько показаний датчика, которые затем усредняются.
Блок визуализации результатов измерений создает графическое изображение модели электромагнитных полей в плоскости платы, различного рода сечения этих полей, а также графики распределений показаний датчиков.
Блок диагностирования определяет места неисправности печатной платы на основе сравнения модели электромагнитных полей исследуемой платы с эталоном (исправной платой) или на основе анализа структуры полей. Если усредненное показание датчика в какой-либо точке сканирования выходит за допустимые отклонения от эталона, программа сигнализирует о дефекте или разрыве в этой точке.
Блок взаимодействия пользователя с комплексом диагностирования включает языковый и интерактивный интерфейс.
Рис. 1. Технические средства системы
Спецвыпуск T-Comm, июль 2009
111
Рис. 2. Структура программного обеспечения
15 2008 12 05 03 поперек широкой Boa id Diagnostic Tool
ВЕЯ
Г>эовгт Мсдень платы
DtfU > - Н
Реэу1ътаты Вид Справка
34 ХООЖОЄгТХЕЛНОО? л
35 X009507YTO2708002-38 Х009508ЛЮ2709002*
37 Х00950М02709002-
38 ХОС»51(МЙ270800>
39 X009611Y002709002-
40 Х00951 ?i'TO27090Q2‘
41 Х009513Y0027090Q?'
42 Х00951ЛТЮ2709002-
43 Х009б15іТО2709002-
44 X00951PrDQ27090Q2-
45 Х00951ЛТЮ2709002-
46 Х00351ЄПЮ2709002-
47 Х009б19гТЮ270900?
48 Х00952(МЮ2709002-
49 X009621Y0027090Q?
50 X00952Zll»2709DQ?
51 Х0095>їтга>709С>0>
52 Х009624У002709002-
53 X00952SrT302709002’
54 Х00952ЄЧЮ2709002-
55 Х00952ЛТЮ270900?
56 X00952ffiTD02709002-
57 Х009529ГТЮ2709002-
58 Х00963(МЮ2709002-
59 X009631Y002709002-
60 Х0095 3?і~0027090 Q>
Г Этал»*«ая то>«а
X (009581 Y 1002709
>U>lJ
Рис. 3
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 3l\ 34 37 40 43 46 49 52 55 58 (jll
^с. 4
Для тестирования системы диагностики была разработана специальная тестовая печатная плата, проводники которой имеют сужения в определенных местах. Рассмотрим процесс диагностики тестовой платы на примере проводника №6 (рис. 3). Если точные координаты данного проводника печатной платы неизвестны!, необходимо осуществить его поиск. Для этого плата сканируется в горизонтальном направлении (стрелка 1) в предполагаемом месте расположения проводника. На рис. 4 показан график распределения усредненных показаний датчиков для этого маршрута; красными линиями отмечены левая и правая граница проводника, в которых достигается минимальное и максимальное значения показаний датчиков.
После определения положения проводника печатной платы, необходимо задать маршрут сканирования вдоль этого проводника с целью поиска возможного дефекта (рис. 3, вертикальная стрелка 2). На рис. 5 показан график распределения усредненных показаний датчиков для этого маршрута; красными линиями отмечены границы резкого скачка показаний датчика, который свидетельствует о наличии дефекта проводника в данном месте.
Таким образом, в работе рассмотрены математические модели и программное обеспечение для диагностики печатных плат путем исследования двухмерного распределения магнитных полей и выделения полезной информации.
112
Спецвыпуск Т-Сотт, июль 2009
