Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современное состояние проблемы контроля и испытаний ОЭП 14
1.1 Оптико-электронный преобразователь, как объект технической диагностики. Назначение, структура, процесс изготовления 14
1.2 Характерные дефекты блока ОЭП 20
1.3 Анализ технического состояния оптико-электронного преобразователя 28
1.4 Анализ методов и средств диагностирования РЭА 32
1.5 Постановка задачи исследования 36
Выводы по главе 1 39
ГЛАВА 2. Разработка методики контроля фоточувствительной матрицы пзс по тепловой картине поверхности 41
2.1 Исследование зависимости температуры поверхности микросхемы ФМПЗС от ее технического состояния 41
2.2 Построение трехмерной теплофизической модели микросхемы ФМПЗС 43
2.3 Построение двумерной модели теплопереноса с поверхности микросхемы ФМПЗС 51
2.4 Анализ методов температурного контроля 54
2.5 Методика температурного контроля технического состояния микросхемы ФМПЗС 62
2.6 Исследование погрешностей математической модели теплового контроля ФМПЗС 67
2.7 Принятие решения об исправности микросхемы ФМПЗС при
проведении контроля по тепловой картине 72
Выводы по главе 2 74
ГЛАВА 3. Разработка иис для комплексных испытаний оэп и температурного контроля микросхемы фмпзс в процессе наземных испытаний 76
3.1 Общая структурная схема информационно-измерительной системы для проведения комплексных испытаний ОЭП 76
3.2 Требования, предъявляемые к информационно-измерительной системе для температурного контроля ФМПЗС 79
3.3 Подсистема контроля технического состояния микросхемы ФМПЗС по тепловой картине 80
3.4 Расчет предельно допустимых значений температуры перегрева поверхности ФМПЗС 90
3.5 Разработка метрологической модели подсистемы температурного контроля и анализ ее погрешностей 92
3.5.1 Метрологическая модель 92
3.5.2 Анализ погрешностей измерительных каналов 94
3.6 Алгоритм автоматизированного контроля технического состояния микросхемы ФМПЗС 101
Выводы по главе 3 104
ГЛАВА 4. Экспериметальная проверка методики температурного контроля технического состояния микросхемы ФМПЗС 106
4.1 Определение коэффициента теплового излучения поверхности микросхемы ФМПЗС 106
4.2 Расчет предельно допустимых значений температуры перегрева поверхности ФМПЗС по экспериментальным данным 110
4.2.1 Анализ результатов испытаний, проводимых в нормальных условиях 111
4.2.2 Анализ результатов испытаний, проводимых при повышенной температуре среды
4.3 Определение погрешности измерительного канала для контроля температуры поверхности ФМПЗС в пределах рабочего диапазона измерений 114
4.4 Анализ математических моделей теплообмена 116
4.5 Экспериментальное исследование микросхем ФМПЗС с помощью разработанной ИИС 123
4.6 Использование метода Байеса для обработки статистических данных результатов наземных испытаний оптико-электронного преобразователя 131
4.7 Производительность метода температурного контроля 135
4.8 Технические характеристики разработанной ИИС 137
Выводы по главе 4 139
Заключение 141
Список литературы 143
- Анализ технического состояния оптико-электронного преобразователя
- Построение двумерной модели теплопереноса с поверхности микросхемы ФМПЗС
- Требования, предъявляемые к информационно-измерительной системе для температурного контроля ФМПЗС
- Определение погрешности измерительного канала для контроля температуры поверхности ФМПЗС в пределах рабочего диапазона измерений
Введение к работе
Актуальность темы. Современное развитие многих отраслей народного хозяйства и науки связано с оперативным дистанционным зондированием земной поверхности с борта космических аппаратов. В настоящее время также возросла потребность в точности и быстроте получения и обработки изображений земной поверхности. Основной функциональный блок системы получения изображения поверхности Земли – это оптико-электронный преобразователь (ОЭП) с фоточувствительной матрицей на приборах с зарядовой связью (ФМПЗС). Надежность и точность этих приборов гарантирует получение изображений высокого качества в течение длительного периода полета космического аппарата.
Для обеспечения этих требований необходимо проводить испытания фоточувствительной матрицы в условиях, максимально приближенных к реальным условиям. При этом для достижения достоверной диагностики радиоэлектронный прибор должен работать в штатном режиме. Обеспечить высокое качество измерений при испытаниях, анализ и обработку информации о функционировании прибора возможно только при создании информационно-измерительной системы (ИИС). При этом ИИС должна управлять режимами испытаний и накапливать базу данных результатов контроля ФМПЗС.
Теоретическую основу выполненного в диссертации исследования составляют научные работы в области приборостроения и информационно-измерительных и управляющих систем таких ученых, как Л. Ф. Куликовский, Ф. Е. Темников, К. Б. Карандеев, О. Н. Новоселов, Б. З. Персов, П. П. Ор-натский, М. П. Цапенко, В. М. Шляндин, Г. Г. Раннев, Н. П. Байда и др.
В настоящее время существует большое количество методов определения технического состояния радиоэлементов. Многообразие методов связано с тем, что при диагностировании они исследуют различные отличительные свойства элементов. Одни методы используют для анализа прямые (электрические) характеристики, другие – косвенные. Особое место среди них занимают тепловые методы контроля технического состояния, которые основаны на принципе изменения температурного поля элемента под влиянием различных отклонений в электрическом режиме работы радиоэлектронной аппаратуры или отклонений теплофизических (геометрических) параметров материала от номинального значения.
Методы, технологии диагностирования технического состояния радиоэлектронной аппаратуры с исследованием тепловых режимов их компонентов, а также численное решение задач тепло- и массообмена в радиоаппаратуре и ЭРИ рассмотрены в работах Г. Н. Дульнева, А. Н. Капустина, Ю. Н. Кофанова, Е. Н. Маквецова, А. Н. Михайлова, С. У. Увайсова, П. П. Пархоменко, А. С. Шалумова, Н. К. Юркова и др.
В настоящее время существует ряд автоматизированных систем для проведения испытаний микроэлектронных компонентов блоков космиче-
ского аппарата, однако они ориентированы на проведение входного контроля, а также контроля технического состояния объекта до и после определенного вида испытания, что в значительной мере усложняет процесс и увеличивает время принятия решения о пригодности к эксплуатации.
Таким образом, актуальной становится разработка информационно-измерительной системы для испытаний и диагностики оптико-электронного преобразователя, в основу которой положен принцип бесконтактного контроля состояния микросхемы ФМПЗС в условиях, максимально приближенных к штатной эксплуатации космического аппарата.
Целью диссертационной работы является разработка информационно-измерительной системы для контроля оптико-электронного преобразователя по тепловой картине поверхности ФМПЗС при проведении наземных испытаний для расширения функциональных возможностей испытательного комплекса и повышения достоверности информации о техническом состоянии контролируемого объекта.
Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:
-
Провести анализ функционирования ОЭП в режимах наземных испытаний, выявить факторы, влияющие на его работоспособность.
-
Разработать математическую модель температурного поля микросхемы ФМПЗС в ОЭП и выявить связь между выходными параметрами микросхемы и ее тепловым состоянием.
-
Разработать методику выявления дефектов и алгоритм функционального контроля технического состояния ФМПЗС с помощью ИИС.
-
Определить граничные условия перехода микросхемы ФМПЗС из работоспособного в неработоспособное состояние.
-
Разработать измерительные каналы ИИС для оценки состояния микросхемы ФМПЗС по ее температурному полю, исследовать их метрологические характеристики.
-
Разработать информационно-измерительную систему для управления испытаниями ОЭП, сбора и обработки статистических данных и прогнозирования технического состояния микросхемы ФМПЗС.
-
Провести экспериментальное исследование разработанной ИИС при наземных испытаниях ОЭП.
-
Определить условия применения статистических данных, полученных в результате мониторинга технического состояния ФМПЗС, для принятия решения о работоспособности ОЭП в процессе наземных испытаний.
Объект исследования – ИИС контроля ОЭП системы космического зондирования Земли, содержащего ФМПЗС.
Предметом исследования являются математические модели теплового состояния ФМПЗС, методика выявления связи между дефектами микросхемы и ее температурным полем, алгоритмы функционального контроля ОЭП, измерительные каналы разрабатываемой ИИС.
Методы исследования. В работе использовались методы теории ИИС, теории тепло- и массообмена, методы математического анализа и имитационного моделирования.
Диссертация выполнена в соответствии с пунктами 1, 5 и 6 паспорта специальности 05.11.16.
Научная новизна работы характеризуется следующими результатами:
-
Разработана математическая модель теплового состояния микросхемы ФМПЗС, отличающаяся учетом в граничных условиях уравнения теплообмена конструктивных особенностей ОЭП, введением поправочного коэффициента для тепловых потоков боковых граней микросхемы, что позволило снизить размерность задачи, обеспечило упрощение аппаратной реализации ИИС и ускорение процесса испытаний ФМПЗС.
-
Разработаны методика и алгоритм температурного контроля технического состояния микросхемы ФМПЗС, отличающиеся измерением температурного поля поверхности матрицы с помощью тепловизора и сравнением его с расчетными значениями, полученными на математической модели, что позволяет повысить вероятность обнаружения дефектов микросхемы на этапах наземных испытаний.
-
Разработана ИИС управления испытаниями оптико-электронного преобразователя, отличающаяся включением в ее состав подсистемы контроля технического состояния ФМПЗС по тепловой картине на основе тепловизора, базы данных результатов вычислительного эксперимента, подсистемы отображения результатов моделирования, что обеспечивает одновременное проведение вычислительного эксперимента и измерения температурного поля и повышает достоверность прогнозирования.
Практическая ценность. Предложенная ИИС применяется в процессе наземных испытаний радиоэлектронного оборудования космического аппарата. Разработанные методику измерения теплового состояния микросхемы и ИИС контроля по температурному полю можно использовать для широкого класса радиоэлектронных приборов, работоспособность которых исследуется в максимально приближенных к реальным условиях.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
-
Математическая модель теплового состояния ФМПЗС, отличающаяся переходом от трехмерной задачи к двумерной и связью ее параметров с конструктивными особенностями микросхемы, что ускоряет процесс испытаний и позволяет упростить аппаратную реализацию системы для определения работоспособности микросхемы ФМПЗС.
-
Методика и алгоритм температурного контроля технического состояния микросхемы ФМПЗС, отличающиеся измерением температурного поля поверхности матрицы с помощью тепловизора и сравнением его с результатами вычислительного эксперимента, что позволяет осуществлять автоматизированный контроль оптико-электронного преобразователя при наземных испытаниях в штатном режиме.
-
Структура ИИС для контроля оптико-электронного преобразователя космического аппарата, отличающаяся автоматизацией процесса наземных испытаний и обеспечивающая прогнозирование работоспособности ФМПЗС в составе ОЭП по тепловой картине ее поверхности.
-
Реализация ИИС контроля ОЭП, созданной на основе предложенной методики измерения температурного поля микросхемы и алгоритмического обеспечения анализа возможных дефектов ФМПЗС, в технологическом процессе испытаний объекта, а также использование в учебном процессе высшего учебного заведения.
Реализация и внедрение научно-технических результатов работы.
Диссертационная работа выполнялась в рамках научно-исследовательских работ в АО «Ракетно-космический центр "Прогресс"» (г. Самара).
Разработанные методика, модель и информационно-измерительная система внедрены в АО «РКЦ "Прогресс"» в технологическом процессе испытаний оптико-электронного преобразователя космического аппарата «Ресурс-П». Практическая ценность работы заключается в повышении эффективности контроля технического состояния ФМПЗС за счет обнаружения скрытых дефектов изготовления, а также в сокращении времени контроля микросхем на 30 %, что позволило увеличить интенсивность испытательных операций оптико-электронного преобразователя.
Материалы диссертации внедрены в учебный процесс в ФГБОУ ВО «Самарский государственный технический университет» при чтении лекций и проведении лабораторных работ.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на XI Всероссийской межвузовской научно-практической конференции «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (Самара, 2012), III Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы ракетно-космической техники» (Самара, 2013), Международной научно-технической конференции «Перспективные информационные технологии» (Самара, 2013), Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии в науке и производстве» (Самара, 2013), V молодежной научно-технической конференции «Инновационный арсенал молодежи - 2014» (Санкт-Петербург, 2014), XIV Международной научно-практической конференции «Современное состояние естественных и технических наук» (Москва, 2014), XX научно-технической конференции молодых ученых и специалистов (Королев, 2014), XVI Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и результаты» (Новосибирск, 2014).
Личный вклад автора. Основные научные результаты теоретических и экспериментальных исследований, выводы получены автором самостоятельно. В работах, опубликованных в соавторстве, лично соискателю
принадлежат: структурная схема ИИС для контроля ОЭП при проведении технологических отбраковочных испытаний [3, 4, 6, 8], проведение анализа возможных причин отказа радиоэлектронной аппаратуры во время эксплуатации [1, 5].
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, из них 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы из 115 наименований, содержит 142 страницы основного текста, включая 27 рисунков и 12 таблиц.
Анализ технического состояния оптико-электронного преобразователя
Следовательно, для оптико-электронного преобразователя характерны следующие виды дефектов:
1. Нарушение работы электрической схемы (непропаи, поры в паяном соединении, приводящие к разрыву электрической цепи, выход из строя элемента, нарушение в топологии печатной платы, механические повреждения печатного узла при межоперационном транспортировании и др.). Данные неисправности проявляются во время электрических проверок или во время проведения приемо-сдаточных испытаний оптико-электронного преобразователя. Причиной могут быть нарушение технологии подготовки и монтажа радиоэлементов, неправильная комплектация радиоэлементов, ошибки в документации, низкая квалификация исполнителей.
2. Дефекты микросхем ФМПЗС (темный точечный дефект, кластерный дефект, светлые области, дефекты, вызванные нарушением структуры и др.). Дефекты могут образовываться на разных этапах производства матриц, и быть геометрически расположены в разных секциях и элементах матрицы. В зависимости от этого влияние их на работу фотоприбора будет различным.
Классификацию дефектов в матрицах ПЗС можно провести по следующим признакам: - по геометрической форме (пятна, столбики, точки и т.п.); - по характеру изменений в процессе времени (пульсирующие, постоянные, возникающие в процессе хранения или работы и т.п.); - по поведению в зависимости от влияния внешних факторов (изменение температуры, напряжения, фазы управляющих сигналов и т.п.). Наибольший интерес у потребителя вызывают форма и причины возникновения дефектов в ФМПЗС.
Темный точечный дефект (“черный пиксел”) - элемент со снижением уровня сигнала более 20% от среднего по кадру при равномерной засветке фотозоны. В черном пикселе не может образовываться заряд и передаваться дальше в регистры матрицы. При малой освещенности “черные пиксели” не видны, но с увеличением уровня освещенности такие дефекты выглядят как темные точки на изображении. Причиной его становится нарушение кристаллической структуры полупроводника или прилипшие к фоточувствительной поверхности матрицы частицы пыли, которые играют роль светофильтров, ослабевающих сигнал в данной точке. В процессе работы ОЭП количество темных точечных дефектов может как увеличиваться (при попадании на светочувствительную область микросхемы частиц из внутренней полости прибора), так и исчезать (смещение частиц с поверхности микросхемы под воздействием вибрации или поворота прибора).
Белый точечный дефект (“белые точки”) – элемент с уровнем сигнала в отсутствие засветки, превышающим среднее по кадру значение темнового сигнала в 5 и более раз. “Белые точки” бывают двух видов: а) “горячие пиксели” – центры повышенной генерации темнового тока. Их яркость монотонно возрастает при разогреве матрицы во время продолжительной работы. Данный дефект напрямую зависит от времени экспозиции в режиме электронного затвора. Чем больше время экспозиции, тем ярче проявляется точечный дефект. б) дефекты кристаллической структуры полупроводника, связанные с инжекцией заряда из образовавшегося канала связи данного пикселя микросхемы с внутренним источником зарядов. Данный дефект имеет ярко выраженный пороговый эффект и не зависит от температуры матрицы или времени экспозиции затвора, но напрямую зависят от напряжения на фазных электродах. “Белые точки” на изображении проявляются в довольно большом диапазоне напряжений, но при изменении напряжения ниже или выше порогового значения дефект полностью пропадает (инжекция заряда перекрывается). По характеру изменения в процессе времени “белые точки” могут то появляться, то исчезать, то есть проявляться в виде пульсирующего дефекта, который в зависимости от геометрического расположения может трансформироваться в пульсирующую “строку” или пульсирующий “столб”. Кластерный дефект – группа от двух (включительно) соседних точечных дефектов. Данный дефект проявляется, как правило, в виде столбиков за счет трансформации точечных дефектов при помощи механизма переноса заряда. Для кластерных дефектов характерны те же изменения во времени и проявления что и для точечных дефектов, скоплением которых они образованы.
Светлая область – локальный участок размером более 100 элементов, с уровнем сигнала в отсутствие засветки каждого элемента области, превышающим среднее по кадру значение темнового сигнала более чем на 20%. Подобные дефекты обусловлены погрешностями химических процессов, которым подвергается поверхность ПЗС матрицы. Светлые области проявляется по-разному, в зависимости от характера повреждения и слоя микросхемы, который был разрушен. Данный вид дефекта выявляется предприятием-изготовителем на этапе проведения приемо-сдаточных испытаний [79, 90].
Большинство дефектов микросхем ФМПЗС связано с нарушениями кристаллической структуры, возникшими во время выращивания кристалла, или с изменениями во время проведения фотолитографических и химических процессов, протекающих во время обработки кристалла.
Общая классификация дефектов, наиболее характерная для ОЭП, в зависимости от причин и природы возникновения в процессе сборки его и испытаний представлена на рисунке 1.3.
Классификация дефектов по причинам возникновения и характеру проявления позволяет выявить наиболее уязвимые участки технологического процесса монтажа и испытаний блока ОЭП, а также определить возможность использования прибора по назначению в течение всего жизненного цикла.
Построение двумерной модели теплопереноса с поверхности микросхемы ФМПЗС
Трехмерная задача теплопереноса, сформулированная выше, сложна и требует большого количества вычислений, что занимает много времени. Поэтому решение поставленной задачи в рамках двумерной модели, которая позволила бы сократить время на контроль технического состояния микросхемы ФМПЗС по тепловой картине с ее поверхности, является наиболее актуальной. При этом возникает необходимость провести анализ результатов, полученных в рамках двумерной модели с результатами трехмерной модели.
При условии, что на верхней границе Q”(xy,z)0, а также учитывая особенности конструкции микросхемы ФМПЗС и теплофизические процессы, протекающие в ней, задача теплопереноса сводится к решению двумерного нестационарного уравнения: где Мху) - теплопроводность материала в точке с координатами (ху), [Вт/м К]; toc - температура окружающей среды, [К]; t - температура объекта в точке с координатами (х, у), [К]; Q{xy,x) - удельная мощность источника тепла в точке (х, у), [Вт/м3]; Q (x,y,z)- удельная мощность теплоотдачи во внешнюю среду за счет конвекции и радиационного излучения, [Вт/м3]; т- время, [с]; /Хх,у) - плотность материала в точке с координатами (х, у), [кг/м3]; с{х,у) - удельная теплоемкость, [Дж/кгК]. В работе принимается, что источник тепловыделения в двумерной постановке плоский. Теплообмен с боковых граней источника, суммарная площадь которых примерно равна площади верхней грани, учитывается за счет увеличения мощности дополнительных источников в зоне тепловыделения. То есть где k – коэффициент пропорциональности, учитывающий теплоотвод с боковых поверхностей, который определен расчетным путем и равен 2. Тогда уравнение теплообмена в двумерной постановке имеет вид: (a(t)(t - tос) + єоб a(t4 - t4j)
При этом учет теплообмена с окружающей средой за счет конвекции и радиационного излучения выполнен введением в уравнение четвертого слагаемого.
Решение уравнения осуществляется методом конечных разностей с применением схемы расщепления по координатам. Затем полученные одномерные разностные уравнения решаются с помощью построения итерационного цикла, при этом на каждом шаге итерации линейная система уравнений решается методом прогонки с использованием неявной разностной схемы аппроксимации.
Построение двумерной модели теплового процесса, протекающего в микросхеме ФМПЗС под действием электрического тока, позволяет расчетным путем определить температуру в любой точке ее поверхности, при этом в значительной мере сокращая вычислительные ресурсы и время на проведение модельного эксперимента.
Для измерения фактической температуры объектов используются различные методы температурного контроля.
Методы температурного контроля представляют собой совокупность средств, методик и алгоритмов, позволяющих получить информацию о параметрах изделия на основе регистрации температуры, теплового поля или теплового контраста диагностируемого объекта при его функционировании [28, 57, 58]. Анализ полученной информации позволяет сделать вывод о том, что характер изменения интенсивности теплового поля свидетельствует об изменении режима работы радиоэлемента.
Интенсивность теплового излучения микросхемы зависит от параметров материала и от возможного наличия дефектов в них. Наличие дефектов является причиной интегрального или локального искажения температурного поля. Это выражается в появлении температурных перепадов. Пространственно-временная функция этих перепадов определяется температурой тела, условиями его обмена с окружающей средой, теплофизическими и геометрическими характеристиками микросхемы и особенностями дефектов, а также временем в нестационарном режиме. Изменение характеристик отдельных участков, входящих в состав микросхемы, приводит к изменению его общих температурных характеристик.
Преимуществом температурного метода неразрушающего контроля (ТМНК) относительно других методов диагностики являются: - исключение влияния человеческого фактора при принятии решения о функционировании элемента (объективность, достоверность); - оперативное получение информации о температурном состоянии поверхности микросхемы; - проведение контроля в условиях максимально приближенных к рабочим (напряжение, длительность воздействия управляющего сигнала и др.); - эффективность обнаружения скрытых дефектов, возникших на предыдущих этапах технологического процесса изготовления (дефекты материалов, непропай, неоднородность структуры и др.); - минимальное влияние системы температурного контроля на диагностируемый объект. Все температурные методы неразрушающего контроля делятся на пассивные и активные. При использовании пассивных методов радиоэлемент нагревается за счет тепловых процессов, протекающих внутри структуры, то есть для получения картины распределения температуры не требуется дополнительных источников тепла. Активные методы теплового контроля предусматривают использование дополнительного источника энергии и предназначены для выявления пассивных дефектов, то есть не выделяющих тепла при протекании через них электрического тока.
Требования, предъявляемые к информационно-измерительной системе для температурного контроля ФМПЗС
По техническим условиям размер микросхемы составляет 20х11х1,5 мм при допустимом отклонении по любой оси не более 0,01 мм. Учитывая, что тепловое сопротивление прямо пропорционально линейному размеру и обратно пропорционально площади поверхности, получаем мультипликативную погрешность SWr = 0,0043. Основной поток тепла отводится через кремниевый объем кристалла микросхемы, теплопроводность которого равна 160 Вт/м 0С с допуском ±6 %. Расчет показывает, что при таких значениях мультипликативная погрешность по теплопроводности 5vt/T=0,0625. Мультипликативная погрешность чувствительности Sw равна 0,0668. Преобразование МТ температуры поверхности микросхемы в поток излучения, поступающий на поверхность первичного датчика тепловизора.
При испытаниях ОЭП при вибрации и климатических воздействиях в камере тепловизор устанавливается на посадочные места, предназначенные для объектива оптической системы дистанционного зондирования. Установочная поверхность объектива изготовлена с высокими требованиями по шероховатости и по плоскостности относительно микросхемы ФМПЗС. Погрешность установки тепловизора относительно фокальной поверхности определяется горизонтальным смещением на установочной плоскости и углом отклонения оптической оси тепловизора от оси микросхемы.
Следует учесть ряд динамических погрешностей в измерительном канале. Во-первых, при испытании ОЭП на вибропрочность возможно смещение оптической оси тепловизора относительно вертикальной оси ФМПЗС. Это происходит из-за наличия гибких механических элементов в конструкции. В результате появляется «смаз» тепловой картины, характеризующийся погрешностью СВ. Таким образом, общая погрешность установки тепловизора в конструкцию ОЭП состоит из двух компонент: а) систематических погрешностей Д и Ду горизонтального смещения и отклонения от оси ДоТ при креплении, б) случайной динамической погрешности при вибрации конструкции. На рисунке 3.8 показана схема образования погрешности установки тепловизора. Рисунок 3.8 – Погрешности установки тепловизора Рассматривается сечение вдоль оси х и показана функция fix) распределения температуры микросхемы от расстояния х от центральной оси сопряжения. При идеальной установке тепловизора температура точки х\ поверхности микросхемы ФМПЗС воспринимается точкой х1Т оптической поверхности тепловизора. При горизонтальном смещении на х точка JC1Т тепловизора будет воспринимать поток излучения от точки х2 микросхемы. Если температура поверхности одинакова, то погрешность не возникает. Чем больше градиент функции fix), тем больше систематическая погрешность горизонтального смещения /. Выражения для систематических погрешностей определяются следующим образом: по координатам x и y
Систематические составляющие за счет калибровки подсистемы измерения перед испытаниями ОЭП уменьшаются до величины Д
В разрабатываемой ИИС используется тепловизор NEC R500. В нем предусмотрена функция удаления эффекта дрожания при съемке за счет использования внутренних алгоритмов обработки термоизображения. Для этого в тепловизоре используется оптический стабилизатор изображения, на основе миниатюрных гироскопических датчиков. Это позволяет свести влияние динамических погрешностей Д , Д практически к нулю.
Аналогичные рассуждения применяются и при определении систематической и случайной компоненты погрешности, вызванной отклонением оси тепловизора от оси микросхемы ФМПЗС.
Следующий фактор - изменение излучательной способности поверхности ФМПЗС для различных образцов микросхем. Проведенные эксперименты (см. п. 4.1) показали, что среднее значение коэффициента излучения поверхности микросхемы ФМПЗС равно Sоб = 0,72. Эта величина использовалась в математических моделях ФМПЗС для различных дефектов. В то же время значение коэффициента излучения поверхности устанавливается при настройке тепловизора NEC R500. Использовать среднее значение нельзя, так как это приводит к погрешности измерения температуры более 5 %. Разработана техническая процедура предварительного измерения коэффициента излучения поверхности микросхемы ФМПЗС с использованием «черной метки» в виде самоклеющейся пленки Testo, коэффициент излучения которой (єчм = 0,95) остается неизменным в течение всего процесса измерения. Это позволило получить величину мультипликативной погрешности МТ не более 0,003.
Преобразование SТ двумерной тепловой картины на входе тепловизора в двумерный цифровой массив температур точек поверхности микросхемы. Ширина поля зрения оптической системы в тепловизоре где N размер цифрового массива по горизонтали, дх шаг дискретности по горизонтали, к - коэффициент пропорциональности. Обычно при измерении тепловой картины микросхемы линейный размер объекта измерений составляет (0,8 - 0,9) /0. Дисперсия погрешности измерения координат точек тепловой картины поверхности микросхемы ФМПЗС равна где сГд составляющая погрешности от дискретного характера двумерного массива информации, она имеет равномерное распределение на интервале, определяемом шириной поля зрения; cr t составляющая погрешности, вызванная процедурой сжатия двумерной информации в тепловизоре.
По паспортным данным тепловизора NEC R500 его общая приведенная погрешность равна 1% в диапазоне рабочих температур окружающей среды от минус 15 оС до плюс 45 оС. При этом минимально различимое значение температур равно 0,03 оС. Следовательно, при измерении номинальной рабочей температуры поверхности микросхемы ФМПЗС, равной 35 оС, абсолютная погрешность Т будет равна 0,35 оС.
Определение погрешности измерительного канала для контроля температуры поверхности ФМПЗС в пределах рабочего диапазона измерений
Для температурного контроля технического состояния микросхемы ФМПЗС используется информационно-измерительная система, структурная схема которой представлена на рисунке 3.2. Задача оператора заключается в подготовке измерительных приборов (тепловизора и осциллографа), подключение ПЗС матрицы в соответствии со схемой, контроль за процессом, а также принятие решения о работоспособности объекта контроля по информации, полученной в результате расчета и обработки измеренных данных на ЭВМ. Для стабилизации температуры поверхности реальной фоточувствительной ПЗС матрицы также необходимо время, на практике оно составило 3 минуты.
Таким образом, для проведения контроля технического состояния микросхемы необходимо: Тд = калиб + Хподкл + Хстаб + Х замер + Хобраб , где ткалиб - время на калибровку измерительных приборов, мин; тподкл– время на подключение микросхемы к ИИС, мин; хстаб – время на стабилизацию температуры поверхности, мин; хзамер – время необходимое на замер температуры поверхности, мин; хобраб – время обработки и анализа диагностической информации, мин.
Выход на режим, калибровка тепловизора и осциллографа выполняется в автоматическом режиме. Оператор лишь проверяет сборку схемы перед включением. Весь процесс подготовки составляет около 5-7 минут.
Штырьковые выводы на транспортировочной таре, в которой поступает микросхема на завод-потребитель, позволяют легко подключать/отключать ее к ИИС. Время подключения 0,5 минуты.
В соответствии с экспериментальными данными зависимости температуры поверхности микросхемы от времени (рисунок 4.4), стабилизация наступает через 3 минуты с момента подачи тактового напряжения в цепь питания ПЗС матрицы. Замер температуры поверхности производится в автоматическом режиме и длится 0,5-1 минуту.
Обработку и анализ полученной информации выполняется на ПЭВМ. Дополнительно необходимо следить за информацией на осциллографе. То есть время на принятие решения о техническом состоянии микросхемы незначительно увеличится и составит около 5-7 минут.
Тогда процесс контроля одной микросхемы составляет 15-18 минут (т.е. три микросхемы в час), в то время как с использованием традиционных методов контроля (замер электрических и фотоэлектрических параметров,) занимает около 20-25 минут.
Таким образом, разработанная подсистема позволяет снизить трудоемкость, а также увеличить производительность процесса определения технического состояния ФМПЗС матрицы при входном контроле.
Распределение времени при проведении наземных испытаний ОЭП представлено на диаграмме (Рисунок 4.7). Is Іти loop Ітц Год loop timm tuiu loop Іпр О I ІХХЛ I I 1 I „ а) ТТ Год (ОД loop tnp I//I V/\ I I - 7 U t,m tmm б) Рисунок 4.7 - Временные диаграммы наземных испытаний ОЭП: а) цикл испытаний ОЭП без ИИС; б) цикл испытаний с использованием разработанной ИИС tв - время на проведение испытаний на вибрационную нагрузку; ґизм - время на проведение измерений параметров работоспособности блока; ґобр - время на обработку результатов и принятие решения о дальнейшей работе; ґтц - время на проведение термоциклирования; ґэтт время на проведение электротермотренировки; ґпр - время на анализ и принятие решения На диаграммах условно показаны временные области операций, крестообразная штриховка - исключаемые ручные операции, и наклонная штриховка - операции, выполняемые параллельно при диагностике ОЭП с помощью разработанной ИИС.
Общее время диагностики ОЭП в процессе испытаний традиционным способом с учетом времени на измерение, обработку и принятие решения о работоспособности блока составляет 289,3 ч. Время, необходимое для диагностики ОЭП с помощью разработанной ИИС составляет 221,1 ч. Таким образом, время на диагностику ОЭП также сокращается на 30% за счет уменьшения количества ручных операций и проведения контроля в условиях наземных испытаний.
Разработанная информационно-измерительная система для проведения технологических отбраковочных испытаний блока ОЭП представляет собой испытательный комплекс, реализованный на базе климатической камеры КВТХВ-512, которая предназначена для проведения испытаний при воздействии климатических факторов (повышенная (пониженная) температура и влажность) в условиях искусственной вибрации. При проведении электротермотренировки питание на вход блока ОЭП подается с помощью внешних источников питания SPS-3610 (фирмы GD INSTEK).
Сбор и визуальное отображение измерительной информации, логические операции, вычисления и управления работой системы выполняются ПЭВМ с операционной системой Windows 7 и СУБД PostgreSQL. Обработка термограмм. полученных с помощью тепловизора, производится программой MicroView. Связь между компонентами ИИС осуществляется с помощью проводных линий связи по интерфейсам RS-232, CAN, Ethernet. Устройства подключаются через USB и COM-порт.
Подача управляющих сигналов на микросхему ФМПЗС в заданном режиме реализуется с помощью отладочной платы Open3S500E выполненной на базе программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) XC3S500E серии Spartan-3E фирмы XILINX. Конфигурационное программное обеспечение для ПЛИС разработано на языке Verilog. Параметры электропитания компонентов ИИС: – питание от сети с напряжением от 187 до 242 В, частотой (50±1)Гц; – мощность, потребляемая измерительными, вычислительными, связующими и вспомогательными компонентами системы определяется в соответствии с нормативно-технической документацией на компоненты.
Система имеет модульно-блочную структуру, которая позволяет наиболее эффективно производить дополнение или замену альтернативными программно-аппаратными модулями.
Таким образом, разработанная подсистема ИИС, в основу которой положена двумерная модель температурного поля микросхемы ФМПЗС, позволяет с погрешностью не более 0,530С и доверительной вероятностью 0,95 определить техническое состояние микросхемы ФМПЗС, входящей в состав блока ОЭП в условиях максимально приближенных к штатным. При этом время на проведение контроля технического состояния микросхемы ФМПЗС сокращается с 20-25 мин до 15-18 мин. Общее время на диагностику ОЭП в процессе испытаний за счет уменьшения количества ручных операций и проведения контроля в условиях наземных испытаний также сокращается на 30%.