Способ обнаружения и идентификации латентных технологических дефектов печатных плат

УДК 004.932.1

Григорьев А.В. , Држевецкий А.Л., Юрков Н.К.

Пензенский государственный университет

СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ И ИДЕНТИФИКАЦИИ ЛАТЕНТНЫХ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ДЕФЕКТОВ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ

Аннотация. Изложена техническая сущность способа структурного обнаружения и идентификации дефектов печатных плат, обоснована необходимость различения видов явных и латентных дефектов, проанализированы типичные ситуации.

Ключевые слова: Печатная плата, растровое изображение, пиксель, кластер, сегмент, область

связанных элементов, дефект, обнаружение, распознавание, структура, связность.

Дефекты печатного монтажа подразделяются на явные и скрытые (латентные). При реализации технологических процессов производства печатных плат необходимо выявлять и те, и другие. При этом следует иметь в виду, что именно латентные дефекты заслуживают особого внимания, поскольку отказ оборудования, обусловленный их наличием, происходит не сразу. Аппаратура успешно используется в течение некоторого времени, а потом происходят отказы. Причём лавина непредсказуемых отказов начинается гораздо раньше рассчитанного срока службы.

Рассмотрим характерные дефекты печатных плат (рис. 1).

На рис. 1: 1 - средний вырыв, 2 - средний выступ, 3- длинный вырыв (трещина), 4 - длинный выступ, 5 - широкий вырыв, 6 - широкий выступ, 7 - разрыв, 8 - перемычка, 9 - раковина, 10 -вкрапление, 11 - внутренняя трещина, 12 - тонкое вкрапление, 13 - смещение центра монтажного отверстия относительно центра контактной площадки, 14 - Нарушение формы контактной площадки (^дрт1п — минимальная ширина проводника; dnpnom — номинальная ширина проводника; dфmin — минимальное расстояние между печатными проводниками; dфnom — номинальное расстояние между печатными проводниками; dH^in — минимальный диаметр контактной площадки; d^nom — номинальный диаметр контактной площадки; Асм — смещение центра контактного отверстия относительно центра контактной площадки).

Конструктор радиоэлектронной аппаратуры обязательно должен учитывать при назначении наименьших предельных размеров ширины печатных проводников и расстояний между ними факторы влияния возможных латентных дефектов печатных плат [1-3]. Развитие латентных дефектов печатной платы возможно, например, под влиянием воздействия вибраций, которым будет подвергаться изделие в процессе эксплуатации [4-5].

Из всего сказанного следует, что при проектировании автоматизированной системы контроля печатных плат необходимо применить методологию системного подхода [6-7].

Возможен вариант построения такой системы, как экспертной [8], перед которой ставится задача оценки качества печатной платы, либо аналитической, перед которой ставится задача определения типов и местоположения дефектов [9].

Регистрируемое изображение печатной платы является полутоновым, а для контроля дефектов необходимо бинарное, в котором каждый пиксель имеет две градации: либо это элемент проводящего рисунка печатной платы (элемент проводника), либо это элемент основы печатной платы (элемент фона). Как правило, простая пороговая бинаризация полутонового изображения здесь не дает желаемого результата, поэтому необходимо применять более эффективные методы бинаризации, например, структурно-разностные [10-14].

Области примыкающих друг к другу пикселей одного класса образуют сегменты: сегмент проводника и сегмент фона. Индикаторная кластеризация сегментов заключается в том, что внутри сегментов формируются кластеры, в которых через любую точку можно провести сечение, длина которого меньше длины некоторого различительного сечения и в которых нельзя этого сделать. Первые из перечисленных кластеров будем называть индикаторными кластерами (ИК), а вторые — стабильными кластерами (СК) . По умолчанию, для сегментов проводника примем длину различительного сечения, равной минимально допустимой ширине печатного проводника (d^min), а для сегментов фона — минимально допустимому расстоянию между печатными проводниками (d^^min). Границей объекта (кластера или сегмента) будем считать линию, состоящую из его пикселей, каждый из которых имеет в соседнем объекте примыкающие к нему пиксели. Множество граничащих между собой ИК образуют область интереса, которая может рассматриваться, как объект, который также имеет границы. Граница ИК с

1

ИК другого сегмента представляет собой смежность. Граница ИК с СК того же сегмента является примыканием. Связность ИК определяется количеством его примыканий: ни одного примыкания — несвязный ИК, одно — односвязный, два и более — многосвязный.

Двухсвязный ИК безусловно является дефектом. Несвязный и односвязный ИК определятся, как дефекты, если они имеют смежные многосвязные дефекты, либо если их площади или периметры превышают максимально допустимое значение, которое для площади равно квадрату различительного сечения, а для периметра — учетверённому различительному сечению. Для всех рассмотренных в настоящей статье ИК, либо площадь, либо периметр, меньше одного из указанных значений.

Под характеристическим прямоугольником объекта будем называть прямоугольник, внутри которого расположена область выполнения условия И± вместе с характеризуемым объектом:

H1 = (х ^ xmn) ^ (х ^ хшах) ^ (У ^ Ушin) ^ (У ^ Ушах) ЯН

где х и у — абсцисса и ордината точки, соответственно; xmin и xmax — наименьшая и наибольшая абсцисса точки, принадлежащей объекту, соответственно; ymin и ymax — наименьшая и наибольшая ордината точки, принадлежащей объекту, соответственно.

Рассмотрим изгиб проводника (рис. 2).

ика дефектом не является. Он, как дефект, и не определится. При изгибе провод-ни ИК проводника 7, 9 и ИК фона 6, 8, но, поскольку они не имеют смежных многосвязных Ш, определения их, как дефектов, не происходит.

ИК фона 4 определится, как односвязный ИК. ИК проводника 3 определится, как многосвязный ИК. ИК фона 4 имеет смежность с ИК проводника 3. В результате, ИК фона 4 определится, как дефект. Соотношение его сторон близко к единице, отношение его площади к площади его характеристического прямоугольника также близко к единице. Совпадение этих признаков и определяет средний вырыв. Средний выступ, это средний вырыв фона. Его структурные определения аналогичны.

Рассмотрим трещину (рис. 4).

Односвязные ИК фона 4 и 6 имеют смежные многосвязные ИК проводника 3 и 8 соответственно. В результате, они определятся, как дефекты. Площадь односвязного ИК фона 4 существенно меньше площади его характеристического прямоугольника, а соотношение сторон характеристического прямоугольника односвязного ИК фона 6 существенно отличается от единицы. В результате, хотя бы один из признаков среднего вырыва в обоих ситуациях отсутствует, и делается вывод о том, что данные дефекты являются трещинами. Длинный выступ можно рассматривать, как трещину в области фона.

Рассмотрим широкий вырыв (рис. 5).

2

Рис. 5. Широкий вырыв

Область интереса включает ИК проводника 3 и ИК фона 4. Характеристическим признаком широкого вырыва является то, что длина границы области интереса существенно превышает расстояние между её началом и концом. Таким образом, диагностируется вогнутый участок области интереса. Если область интереса, имеющая вогнутый участок, содержит многосвязный ИК проводника, то это однозначно указывает на широкий вырыв. А на широкий выступ однозначно указывает область интереса с вогнутым участком, содержащая многосвязный ИК фона.

Рассмотрим разрыв (рис. 6).

Многосвязный ИК фона 4 имеет два примыкания. Особенностью разрыва является то, что длина каждого из его примыканий меньше различительного сечения. Во всех других ситуациях примыкание многосвязного ИК фона не меньше различительного сечения. Если же многосвязный ИК проводника имеет длину каждого примыкания меньше различительного сечения, то это не разрыв, а перемычка.

Рассмотрим раковину (рис. 7).

Несвязный ИК фона 5 имеет смежность с многосвязным ИК проводника 3. Соотношение сторон характеристического прямоугольника этого ИК фона близко к единице, а площадь самого ИК близка к площади его характеристического прямоугольника. Так определяется раковина. Вкрапление это несвязный ИК проводника, имеющий смежность с многосвязным ИК фона, соотношение сторон характеристического прямоугольника которого приблизительно равно единице, а площадь самого ИК близка к площади его характеристического прямоугольника.

Для внутренней трещины выполняются те же условия, что и для раковины, только для внутренней трещины либо соотношение сторон характеристического прямоугольника существенно отличается от единицы, либо площадь ИК намного меньше площади его характеристического прямоугольника (рис. 8).

Характеристические признаки тонкого вкрапления такие же, как и характеристические признаки внутренней трещины, только его область интереса состоит из несвязного ИК проводника и многосвязного ИК фона.

Для того, чтобы диагностировать смещение центра монтажного отверстия относительно центра контактной площадки, необходимо измерить величину этого смещения и сравнить её с наперед за-

3

данным пороговым значением. Координаты центра тяжести объекта определяются, например, способом, изложенным в [15]. Измерение координат центра тяжести монтажного отверстия при этом определяется непосредственно. Определение же координат центра тяжести контактной площадки напрямую невозможно (рис. 9).

Как видим, контактная площадка не является здесь объектом, у которого можно померить координаты центра тяжести. Для того, чтобы такие измерения стали возможны необходимо объединить монтажное отверстие с проводником по ИЛИ и выполнить индикаторную кластеризацию с различительным сечением, превышающим максимально допустимую ширину проводника. Сегменты объединения монтажного отверстия с проводником будем называть обобщённым проводником (рис. 10).

Рис. 10. Индикаторная кластеризация обобщённого проводника в окрестности контактной площадки

Цент тяжести СК проводника 3 и будет центром тяжести контактной площадки. Смещение центра тяжести монтажного отверстия относительно центра тяжести контактной площадки определится, как расстояние между этими центрами тяжести.

Искажение формы контактной площадки определяется индикаторной кластеризацией сегментов проводника и фона с различительными сечениями, объявленными по умолчанию (рис. 11).

При этом ИК проводника 2 имеет границу с монтажным отверстием. Наличие границы ИК проводника с монтажным отверстием и определяет искажение формы контактной площадки, при условии отсут-

4

ствия смещения центра монтажного отверстия относительно центра контактной площадки. При наличии такого смещения ИК проводника также будет иметь границу с монтажным отверстием. Если же нет ни смещения центра монтажного отверстия, ни искажения формы контактной площадки, то ИК проводника не будет граничить с монтажным отверстием (рис. 9).

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 г.) в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы».

ЛИТЕРАТУРЫ

1. Затылкин А.В., Кочегаров И.И., Юрков Н.К. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом. — Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 1 / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012, С. 365-367.

2. Трифоненко И.М., Горячев Н.В., Кочегаров И.И., Юрков Н.К. Обзор систем сквозного проектирования печатных плат радиоэлектронных средств. — Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 1 / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012, С. 396400.

3. Кочегаров И.И., Шуваев П.В. Рекомендации по выбору прикладных программных пакетов для проектирования печатных плат. — Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 1 / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012, С. 409-413.

4. Данилова Е.А. Вычислительные процессы при цифровом моделировании вибраций сложных конструкций. — Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 1 / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012, С. 441-443.

5. Таньков Г.В., Затылкин А.В., Трусов В.А., Голушко Д.П. К вопросу экспериментального исследования колебаний упругих систем. — Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 2 / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012, С. 228-230.

6. Баннов В.Я., Стюхин В.В. Методы построения современных автоматизированных систем. — Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 2 / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012, С. 488-490.

7. Царёв А.Г., Рачковская М.К. Системы оптической дефектоскопии полосковых структур. — Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 2 / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2012, С. 69-70.

8. Држевецкий Ю.А., Затылкин А.В., Юрков Н.К., Алмаметов В.Б. Экспертные системы как прикладная область искусственного интеллекта. — Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 1 / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2011, С. 152-154.

9. Држевецкий А.Л., Григорьев А.В.. Автоматизированная система оптического допускового контроля печатных плат и фотошаблонов. — «Метрология» (прил. к ж. «Измерительная техника»), 1995, вып. 4, C. 11-18.

10. А.с. 1837335 СССР, МПК G06K9/00. Устройство для селекции изображений / Држевецкий А.Л.,

Григорьев А.В., Царев А.Г., Контишев В.Н. — № 4912250; заявл. 19.02.1991; опубл. 30.08.1993; Бюл. — № 32.

11. Информационные технологии проектирования РЭС. Единое информационное пространство предприятия : учеб. пособие / В. Б. Алмаметов, В. Я. Баннов, И. И. Кочегаров. - Пенза : Изд-во

ПГУ, 2013. - 108 с.

12. Григорьев А.В., Држевецкий А.Л., Граб И.Д. Уровни предпочтений в системе распознавания электронно-дифракционных картин. — Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том

1 / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2010, С. 396-399.

13. Григорьев А.В., Држевецкий А.Л. Критерий обнаружения объектных фрагментов штрихового

изображения в полутоновом. — Надежность и качество - 2011: труды Международного симпозиума: в

2 т. /под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011, С. 310-312.

14. Григорьев А.В., Држевецкий А.Л. Уточнение характеристических признаков и логического

функционала структурно-разностной сегментации полутонового изображения. — Надежность и качество - 2011: труды Международного симпозиума: в 2 т. /под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во

ПГУ, 2011, С. 312-315.

15. Патент 2032218 РФ, МПК G06K9/00. Устройство для селекции изображений / Држевецкий А.Л.,

Григорьев А.В., Царев А.Г., Контишев В.Н. — № 4891118/24; заявл. 17.12.1990; опубл.

27.03.1995.

5