Информационно-измерительная система обнаружения дефектов печатных плат

ТЕХНИКА, ТЕХНОЛОГИЯ, УПРАВЛЕНИЕ

УДК 004.932.2

Е. А. Данилова, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОБНАРУЖЕНИЯ ДЕФЕКТОВ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Аннотация. Актуальность и цели. Некоторые технологические дефекты печатных плат, успешно прошедшие процедуру контроля, потенциально могут перерасти в критические дефекты при наличии внешних и (или) внутренних воздействий различного вида. Сложность процессов развития дефектов, приводящих к отказам печатных плат, настоятельно требует создания и совершенствования информационно-измерительных систем не только обнаружения, но и прогнозирования развития дефектов печатных плат с учетом внешних воздействий. Для решения этой задачи необходимо провести анализ моделей развития технологических дефектов, позволяющих прогнозировать развитие дефекта, и подготовить математические модели для их исследования. Материалы и методы. Использованы методы системного анализа, теории математического и имитационного моделирования, анализа технологических систем. Результаты. Приводится структура информационно-измерительной системы и рассматриваются вопросы, касающиеся повышения информативности разработанной системы. Приведены основные информационные критерии для заинтересованных в данной системе специалистов. Выводы. Технологические дефекты проводящего рисунка печатных плат являются концентраторами напряжений, приводящими к снижению прочности в процессе эксплуатации. Приведенные критерии вывода информации для лиц, принимающих решение, позволяют повысить информативность системы.

Ключевые слова: печатные платы, дефекты, информативность, скрытые дефекты, моделирование.

Существующие информационно-измерительные системы (ИИС), используемые для контроля печатных плат (ПП), производят исключительно обнаружение дефектов, геометрические размеры которых превышают предельные отклонения размеров, установленные нормативной документацией на печатные платы. Однако в ходе эксплуатации часть дефектов, не отнесенных ИИС контроля к критическим, может стать причиной отказа печатной платы из-за их возможного развития. Переход дефектов от малозначительных в критические происходит за счет действия механических, температурных и иных видов факторов. Для прогнозирования развития дефектов предложено включение в ИИС блока моделирования развития дефектов, реализованного в пакете математического моделирования - например, ЛпБуБ [1—3].

Производство печатных плат представляет собой сложный многооперационный процесс, где каждая из множества операций может стать причиной появления дефектов. Причем влияние различных дефектов на работоспособность печатных плат неравнозначно [2, 4]. Наличие определенного дефекта является следствием нарушения конкретной технологической операции при производстве печатных плат, и было бы полезно располагать информацией, позволяющей своевременно осуществлять корректировку технологического процесса [5].

Для устранения указанного недостатка предложено дополнение ИИС контроля печатных плат блоком анализа технологических дефектов, в котором производится накопление данных о дефектах и их сопоставление с возможными причинами появления [6].

Таким образом, ИИС позволяет своевременно давать рекомендации по корректировке технологического процесса (ТП). Структурная схема ИИС, дополненная блоками моделирования, развития дефектов и анализа технологических дефектов, представлена на рис. 1.

База данных моделей

Блок

Блок поиска и

классификации > моделирования

дефектов развития

дефектов

База данных «причина-дефект»

I

I

Блок анализа технологических дефектов

Блокуправления системой позиционирования

Блок визуализации результатов

Рис. 1. Структурная схема информационно-измерительной системы контроля печатных плат: ПП (ОК) - печатная плата (объект контроля); ЦФК - цифровая фотокамера; УП - устройство позиционирования; ПК - персональный компьютер; ЛПР - лицо, принимающее решение

За счет расширения функциональных возможностей ИИС обеспечивается повышение информативности системы, под которым будем понимать увеличение количества предоставляемой ИИС информации, полезной для заинтересованных пользователей, за счет увеличения количества и типов сообщений [7, 8]. Повышение информативности ИИС достигается за счет введения в ИИС блока моделирования развития дефектов и организации обратной связи для корректировки технологического процесса (базы данных по видам дефектов и причинам их возникновения в процессе производства). По сравнению с существующими ИИС контроля печатных плат генерируемое предложенной ИИС количество информации (информативная емкость) увеличивается, что способствует снижению неопределенности. Таким образом, предлагаемая ИИС обеспечивает снижение неопределенности, с одной стороны, в процессе эксплуатации печатных плат за счет определения числа циклов до разрушения и напряжений, действующих в проводнике (блок моделирования развития дефектов), с другой - при производстве печатных плат за счет реализации анализа технологических дефектов.

Существующие ИИС обнаружения дефектов ПП предоставляют пользователю: сообщения о наличии дефектов; возможность оценки геометрических размеров данных дефектов; заключение о годности ПП, исходя из установленных допусковых границ. Усовершенствованная ИИС, по результатам проведенного моделирования, дополняет первый вид сообщений (рис. 2), предоставляя информацию, во-первых, о числе циклов до разрушения печатного проводника, во-вторых, о коэффициенте запаса прочности (сообщение второго вида), а также о действующих механических напряжениях в проводнике (сообщение третьего вида). Для технолога полезными будут являться сообщения четвертого вида, сопоставляющие каждый обнаруженный дефект с возможными причинами их возникновения.

ПК

- Д'1 нныс

Виды сообщений о дефекте

2

Число циклов до разрушения / коэффи циент запаса прочности

Причина дефекта

Пользователи

1 Контролер 2 Конструктор 3 Технолог 4 Заказчик

Рис. 2. Виды сообщений, генерируемых ИИС, и пользователи сообщений, генерируемых ИИС

Дополнительные сообщения о дефектах 2—4 видов способствуют возрастанию величины информативности сообщения ИИС. Тем самым увеличивается полезность информации как в целом, так и для конкретных пользователей.

В связи с невозможностью применения количественной оценки информации, содержащейся в сообщениях ИИС, по причине ее качественного характера практикуется прагматический подход с использованием экспертного метода оценки полезности. Сообщениям каждого 1-го вида присваивается вес, определяющий полезность информации (сообщения) для конкретного потребителя j. Из полученных значений формируется матрица

р = (Ри/ Ж/ -!•

{1, если / -ый вид сообщения обладает полезностью для /-го пользователя 0, если /-ый вид сообщения не обладает полезностью для /-го пользователя *

Основными пользователями информации (сообщений), генерируемой ИИС, являются ЛПР. В табл. 1 сведены оценки, связывающие виды сообщений и пользователей.

Таблица 1

Экспертные оценки соотнесения сообщений и их пользователей

Сообщение 1 Сообщение 2 Сообщение 3 Сообщение 4

Контролер 1

Конструктор 1 1

Технолог 1 1

Заказчик 1

На основании табл. 1 формируется матрица значений

(1 0 0 0^ 0 110

р -

10 0 1 0 10 0

Производится расчет значимости каждого вида сообщения как

Еп

/-1Р/, /

2 -

4

п

Определяется суммарная оценка полезности сообщений, генерируемых ИСС, как

m

I zi, которая принимается за 100 %. Сообщения 1 вида составляют 33 % от общей ин-

í=i

формативности системы.

Кроме ориентировочной оценки информативности информационно-измерительной системы по количеству заинтересованных пользователей, возможно применение весовых коэффициентов, принимающих значения в диапазоне от о до 1 для каждого вида сообщений. С учетом весовых коэффициентов матрица (1) принимает вид:

(Pli Pl2 Pl3 Pl4 ^ p21 p22 p23 p24 Р31 p32 p33 p34 ,p41 p42 p43 p44,

P =

Таким образом, за счет генерирования дополнительных сообщений 2-4 видов без введения весовых коэффициентов обеспечивается повышение информативности ИИС на 67 %. Значения весовых коэффициентов можно определять экспертным методом -путем проведения опросов. Метод имеет несколько вариантов организации проведения опросов и обработки полученной информации. Наиболее распространенными являются методы ранжирования, приписывания баллов, анализа иерархий (Саати), модифицированной первой главной компоненты.

Рассмотрим установление весовых коэффициентов на примере метода ранжирования. Первым этапом по каждому типу пользователей сообщений формируются группы из t экспертов, которыми являются специалисты в данной области, способные дать оценку важности сообщений, выдаваемых ИИС. Вторым этапом эксперты дают оценку важности каждого сообщения, и наиболее важному с их точки зрения присваивается ранг к, а следующему, менее значимому - ранг (к-1), и т.д. Ранг, равный единице, имеет наименее важный вид сообщения для данного эксперта (пользователя). По результатам опроса экспертов формируется табл. 2.

Таблица2

Определение весовых коэффициентов методом ранжирования

Эксперт Виды сообщений

1-й вид 2-й вид 3-й вид 4-й вид

1 Р11 Р12 Р13 Р14

2 Р21 Р22 Р23 Р24

t Pt1 Pt2 Pt3 Pt4

Определение весовых коэффициентов будет осуществляться по формуле

I=о Р

Таким образом, получаем весовые коэффициенты, находящиеся в диапазоне от 0 до 1.

Преимущество метода ранжирования заключается в простоте проведения опроса экспертов и обработки результатов. Недостатками, как и для любого экспертного метода, являются определение необходимого количества привлекаемых экспертов и их отбор.

Таким образом, показано, что расширение функциональных возможностей ИИС контроля печатных плат за счет введения дополнительных блоков обеспечивает повышение информативности информационно-измерительной системы.

I

Библиографический список

1. Исследование динамики печатных плат радиоэлектронных средств : монография / Г. В. Таньков, В. А. Трусов, Н. К. Юрков, А. В. Григорьев, Е. А. Данилова. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2016. - 118 с.

2. Кочегаров, И. И. Алгоритм прямого перебора с применением теории графов для прогнозирования отказов сложных РЭС / И. И. Кочегаров, В. В. Стюхин // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2012. - Т. 2. - С. 130-131.

3. Программные комплексы и системы проектирования печатных плат / А. Ю. Меркульев, Ю. А. Сива-гина, И. И. Кочегаров, В. Я. Баннов, Н. К. Юрков // Современные информационные технологии. -2014. - № 19. - С. 119-128.

4. Кочегаров, И. И. Развитие систем изучения микроконтроллеров и ПЛИС / И. И. Кочегаров,

B. А. Трусов // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. - 2008. - Т. 2. -

C. 166-167.

5. Grishko, A. K. Dynamic analysis and optimization of parameter control of radio systems in conditions of interference / A. K. Grishko, N. V. Goryachev, I. I. Kochegarov, N. K. Yurkov // International Siberian Conference on Control and Communications, SIBCON 2016. - Proceedings, 2016. - С. 749-1674.

6. Кочегаров, И. И. Системы удаленного рабочего стола при работе с конструкторскими САПР / И. И. Кочегаров, В. А. Трусов // Труды Международного симпозиума Надежность и качество. -2009. - Т. 2. - С. 406-407.

7. Гришко, А. К. Структурные компоненты геоинформационных систем и их основные области применения / А. К. Гришко, А. С. Зорькин, В. Я. Баннов, В. А. Трусов // Надежность и качество : тр. Междунар. симп. - 2010. - Т. I. - С. 287-288.

8. Северцев, Н. А. Системный анализ определения параметров состояния и параметры наблюдения объекта для обеспечения безопасности / Н. А. Северцев // Надежность и качество сложных систем. - 2013. - № 1. - С. 4-10.

Данилова Евгения Анатольевна, старший преподаватель, кафедра «Конструирование и производство радиоаппаратуры», Пензенский государственный университет. E-mail: Kipra@pnzgu.ru

Кочегаров Игорь Иванович, кандидат технических наук, доцент, кафедра «Конструирование и производство радиоаппаратуры», Пензенский государственный университет. E-mail: Kipra@pnzgu.ru

Юрков Николай Кондратьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Конструирование и производство радиоаппаратуры», Пензенский государственный университет. E-mail: Kipra@pnzgu.ru

УДК 004.932.2 Данилова, Е. А.

Информационно-измерительная система обнаружения дефектов печатных плат / Е. А. Данилова, И. И. Кочегаров, Н. К. Юрков // Вестник Пензенского государственного университета. - 2017. - № 3 (17). -С. 61-65.