Содержание к диссертации
Введение
1. Приборы и методы прямой оценки напряженности электромагнитных полей 7
1.1. Методы исследования электромагнитных полей 7
1.2. Методы производственного контроля качества электромагнитных изделий 17
1.3. Способы визуализации электромагнитных полей 21
2. Постановка задачи исследования 24
3. Исследование неоднородных магнитных полей 26
3.1. Применение муаровой методики при контроле качества печатных плат на производстве 26
3.2. Физическая модель магнитного поля плоского проводника с током на отверстии 32
3.3. Математическая модель магнитного поля плоского проводника с током на отверстии 39
3.4. Выводы 50
4. Фрактальный анализ муаровых картин 52
4.1. Применение фрактального анализа к муаровой методике 52
4.2. Фильтрация муаровых картин 55
4.3. Вычисление фрактальной размерности муаровой картины 61
4.4. Выводы 63
5. Информационно-измерительная система контроля качества плоских проводников 65
5.1. Структура информационно-измерительной системы контроля качества плоских проводников 66
5.2. Аппаратные средства 73
5.3. Программное обеспечение 78
5.4. Выводы 86
6. Метрологическое обоснование использования информационно-измерительной системы контроля качества плоских проводников 87
6.1. Предварительная обработка экспериментальных данных
по металлизированным отверстиям печатных плат. 87
6.2. Исследование вероятности брака контроля при использовании Информационно-измерительной системы 91
6.3. Выводы 93
Основные результаты исследования 94
Список используемых источников
- Методы производственного контроля качества электромагнитных изделий
- Физическая модель магнитного поля плоского проводника с током на отверстии
- Фильтрация муаровых картин
- Программное обеспечение
Введение к работе
Актуальность работы. Современные сложные электронные системы включают ряд составляющих, в том числе основополагающих: радиотехническую, вычислительную и энергетическую. Энергетические устройства, такие как монтажные платы - неотъемлемая часть всех систем. Эти "кирпичики" - составляющие фундамента электронной аппаратуры, построены на основе использования электромагнитных явлений и применении новых магнитных материалов. Поэтому измерение параметров электромагнитных полей, а также исследование электрических и магнитных свойств материалов занимают значительное место в технике.
Производственный контроль печатных плат представляет собой многопараметрический, трудоёмкий процесс, зависящий от личных качеств оператора. Работа проводника часто сопровождается генерированием неоднородных электрических и магнитных полей малой протяженности из-за геометрических и физических особенностей самого проводника и границ раздела. Например, при производственном контроле соответствия серийно выпускаемых электротехнических изделий запроектированным стандартам не поддаются учету особенности, вызванные различной физико-химической предысторией систем, создающих магнитные поля рассеяния. Это способ обработки металлизированных отверстий, состояние материала и полировки рабочей поверхности, которые существенно влияют на топологию магнитного поля рассеяния. Многочисленность подобных трудно учитываемых при моделировании полной картины магнитных полей факторов требует прямых методов исследования магнитных и электрических полей рассеяния малой протяженности. К данным методам можно отнести оптические, оптические теневые, электронно-оптические.
Использование средств электронной микроскопии в совокупности с цифровой фототехникой, сопряжённой с персональным компьютером (ПК), открывает широкие возможности по созданию информационно-
4 измерительных систем (ИИС) для промышленности с целью автоматизации и повышения оперативности процесса разбраковки готовой продукции. Применение в ИИС методики электронно-оптических муаровых картин позволяет визуализировать магнитные поля рассеяния контролируемых изделий. Создание ИИС, основанной на использовании критериев, характеризующих муаровые картины от металлизированных отверстий печатных плат, открывает возможность разработки более надёжного и менее трудоёмкого метода контроля, что является' важной и актуальной задачей. Актуальность работы также подтверждается возможностью создания на базе муаровой методики наблюдения магнитных полей принципиально новых программно-управляемых систем при автоматизации процесса контроля качества электротехнических изделий на производстве.
Предмет исследования: Методы контроля электромагнитных изделий на производстве. Разработка ИИС контроля качества плоских проводников с помощью электронно-оптического муара.
Цель работы- Разработка оперативной, с большой достоверностью информационно-измерительной системы, "и метода контроля качества металлизированных отверстий печатных плат с помощью электронно-оптического муара, отличающейся использованием единого критерия характеризующего полученные муаровые картины.
Идея работы заключается в применении ИИС, позволяющей по единому критерию, характеризующему электронно-оптические муаровые картины от исследуемых неоднородных магнитных полей рассеяния в малых объёмах, предложить более надёжный и оперативный метод контроля качества электронных изделий в масштабах производства.
Методы исследования. В диссертационной работе использованы методы получения муаровых картин от электрических и магнитных полей средствами электронной микроскопии, математического моделирования, схемотехники и метрологии.
Научная новизна:
усовершенствована методика наблюдения неоднородных электромагнитных полей рассеяния малой протяженности средствами электронной микроскопии;
создана математическая модель, позволяющая описать электронно-оптические муаровые картины от поля рассеяния плоских проводников;
предложена методика обработки муаровых картин от поля рассеяния металлизированных отверстий печатных плат с помощью фрактального анализа;
разработан единый критерий, характеризующий полученные муаровые изображения по фрактальной размерности и предложен метод контроля качества металлизированных отверстий печатных плат;
разработана структура и программное обеспечение ИИС контроля качества плоских проводников с помощью электронно-оптического муара;
проведен метрологический анализ ИИС на погрешность определения качественных параметров, характеризующих муаровое изображение и результаты разбраковки электротехнических изделий на производстве.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработана ИИС контроля качества плоских проводников, основанная на визуализации магнитных полей рассеяния в малых объемах посредством электронно-оптических муаровых картин, отличающаяся усовершенствованной геометрией съемки позволяющей получать более четкие муаровые картины. Предложена методика контроля качества металлизированных отверстий по фрактальной размерности муарового изображения, получаемого в процессе машинного математического моделирования, отличающаяся использованием в роли критерия контроля полученной фрактальной размерности муарового изображения.
Для ИИС, реализующей предложенный метод разбраковки, разработан алгоритм функционирования, аппаратное и программное обеспечение, метрологическое обеспечение с учетом вероятности брака при контроле.
Реализация работы. Основные результаты работы нашли применение при создании РВДС контроля качества плоских проводников с помощью электронно-оптического муара, прошедшей испытания в акционерном обществе открытого типа "Тамбовэлектроприбор" (г. Тамбов).
Апробация. Основные положения диссертации докладывались: IX Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов "Радиоэлектроника, электротехника и энергетика" (Москва, 2003); III Международная конференция "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений (MPFP)" (Тамбов, 2003); VII Всероссийская научно-техническая конференция "Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования" (Тамбов, 2004).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 7 печатных работах.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка из 107 наименований, приложений. Общий объем работы составляет 113 страниц. Основная часть диссертации изложена на' 94 страницах машинописного текста. Работа содержит 30 рисунков.
Методы производственного контроля качества электромагнитных изделий
Непосредственные измерения магнитных полей широко распространены. Это связано в первую очередь с тем, что они могут быть выполнены относительно просто и с достаточной для практических целей точностью. Трудности могут возникнуть при исследовании микрополей с крайней неоднородностью, которые встречаются при контроле различных видов радиоэлектронной техники на производстве. В частности, при определении обобщенного показателя качества печатных плат на производстве приходится учитывать большое число различных факторов. Процесс проверки печатных плат сводится к определению различными приборами целого ряда физических величин, косвенно характеризующих работоспособность платы в целом. Часть качественных характеристик в дальнейшем приходится определять расчетными методами.
При металлизации отверстий печатных плат (ПП) актуальной остается задача контроля толщины медного слоя. Значительная доля брака при производстве ПП и отказов при эксплуатации приходится именно на металлизированные отверстия (МО), используемые для установки элементов или соединения токопроводящих дорожек в различных слоях. Типичные виды дефектов МО перечислены в [59]: - слишком тонкий слой меди, из-за чего возможен перегрев током, разрушения при пайке, возникновение радиальных трещин; - слишком толстый слой меди, из-за чего выводы конструктивных элементов не входят в отверстия, покрытие может отслаиваться от стенок отверстия (кроме того, в этом случае будет перерасход дорогостоящей меди); - отрыв контактных площадок; - дефекты, возникающие в процессе осаждения меди из-за плохой подготовки отверстия (выступающие стекловолокна, загрязнения при сверлении и др.); - трещины, возникающие при термических нагрузках; - выделение газа при пайке, что приводит к непропаю и (или) разрушению МО; - неполная протравка перед гальванизацией, особенно в Ml 111, что приводит к плохому соединению внутренних слоев.
Для контроля металлизированных отверстий ПП применяют различные методы [60]. Метод микрошлифов, используемый для выборочного разрушающего контроля, позволяет получить прямые результаты измерения с помощью микроскопа, но трудоемок, дорог и дает только вероятностную оценку качества металлизации. Многочисленными исследованиями микрошлифов отверстий установлено, что: - форма трубки меди отличается от правильной цилиндрической; - шероховатость поверхности стенок трубки соизмерима с ее толщиной; - стенки трубки имеют утолщения по краям и более тонкую среднюю часть; - толщина стенок трубки может изменяться с азимутальной координатой вплоть до крайнего случая, когда на одной части поверхности отверстия медь есть, а на другой - нет.
Анализ процесса изготовления микрошлифов показал, что технология получения их зачастую служит источником возникновения ошибок при контроле [61]. Во-первых, отверстие может быть разрезано не по осевой, в результате получается косое сечение стенки вместо нормального, что приводит к завышению измеренного значения. Во-вторых, при шлифовке может произойти «размазывание» меди по поверхности шлифа, что также приведет к ошибке измерений. Изложенные выше соображения показывают, что способ измерения толщины меди по шлифам далек от совершенства, хотя и применяется повсеместно. В отличие от других он является способом прямого измерения, нагляден, потому часто играет роль арбитра. Для оценки качества металлизации отверстий 1111 применяют различные методы неразрушающего контроля [62].
Метод измерения электрического сопротивления МО реализован, в частности, в приборах типа Caviderm CD-8, CD-10 (Veeco Instrument Corp., UPA Technology Division, США). Недостатки этих приборов - влияние контактных явлений на результаты измерений, невозможность контроля до травления рисунка ГШ, необходимость двустороннего доступа к МО,
Физическая модель магнитного поля плоского проводника с током на отверстии
Используемый проводник всегда содержит некоторое количество дефектов, искажающих внутрикристаллические поля и снижающие его практическую прочность. Вместе с тем эти дефекты способны существенно перераспределить и усилить внешнее электромагнитное поле.
Реальную прочность твердых тел и склонность их к разрушению определяют не только многочисленные несовершенства структуры, но и локальные технологические нарушения сплошности (отверстия, надрезы и вырезы, изгибы и так далее) [84]. Здесь следует учитывать искажение поля тока дефектами, аналогичное концентрации механических напряжений вблизи них. При этом происходит усиление электромагнитного поля тем более сильное, чем острее и протяжнее дефект [85]. Например, в вершинах микроскопических трещин температура вследствие такого перераспределения поля может достичь точки плавления, в то время как вдали от нее нагрев не превышает нескольких градусов [86]. Тот же эффект может происходить с отверстием.
Вследствие квадратичной зависимости джоулев нагрев в слабых полях (« юЩ/ ) невелик, но в области Н 10т 4/ он очень быстро растет с ростом амплитуды поля. Практически поверхность любого проводника начинает плавиться при Я 7 Ю7-4 [87]. Дальнейшее увеличение напряженности Я»1,2 1084/ приводит- к электрическому взрыву поверхности и образованию ударных волн, распространяющихся вглубь проводника. Возникающие пандеромоторные усилия в общем случае зависят от амплитуды, длительности и ориентации вектора напряженности.
Рассмотрим перераспределение и локальное усиление поля макронеоднородностями в виде отверстий в реальном проводнике с током. В теории сплошной среды оно изучено достаточно хорошо в слабых поля, что служит основой всех электромагнитных методов дефектоскопии.
Допустим, что дефект в форме круга радиуса R, сильно различающийся проводимостью с матрицей, обтекается электрическим током /. Предположим также, что проводимость вокруг него переменная, а на бесконечности проводника постоянна и равна ст. Тогда каждое сечение, удаленное на расстояние г от центра дефекта, равно hdr, где h толщина
Таким образом, как электромагнитная энергия, так и тепловая, локализуясь вокруг отверстия, создают благоприятные условия для его разрушения по тепловому или пандеромоторному механизмам, основными факторами в этом процессе, являются размер отверстия и огибающий его электрический ток.
Экспериментальную оценку напряженности магнитного поля вокруг дефекта получить традиционными методами измерений затруднительно, а в ряде случаев невозможно из-за больших методических трудностей, связанных с малыми его размерами и зоной действия этого поля. Поэтому, более обоснованным является использование средств электронной микроскопии с целью получения электронно-оптического муара.
Расчет и моделирование поля рассеяния металлизированного отверстия печатной платы сопряжен со значительными трудностями учета геометрических и физических особенностей, связанных с физико-химической предысторией комплектующих частей.
Использование муаровых картин, полученных от различных полей рассеяния средствами электронной микроскопии, доказывают их соответствие существующим теоретическим распределениям [90]. Так как при серийном выпуске печатных плат возникает необходимость проведения оценки создаваемого изделием магнитного поля, зависящего от дефектов и неточностей при изготовлении, важным является задача создания адекватной полученным муаровым картинам математической модели [91] и ее применении в информационно-измерительной системе.
Полученные муаровые картины в ИИС можно применить для анализа качество электротехнических изделий в целом. На (рис. З.б.) показаны электронно-оптические муаровые картины годных и бракованных печатных плат в районе металлизированного отверстия. На муаровых картинах видно, что: а) Магнитные поля годных печатных плат обладают осевой симметрией, в то время как у бракованных эта симметрия нарушена; б) Магнитные поля годных печатных плат практически не имеют искажений, а бракованные имеют явные искажения; в) Отверстие увеличивает напряженность магнитного поля ровно в два раза, радиус отверстия не влияет на изменение напряженности магнитного поля; г) Толщина и протяженность силовых линий магнитных полей бракованных изделий в зависимости от протекающего тока и наличия дефекта изменяется.
Эти указанные отклонения в бракованных печатных платах обусловлены нарушением технологического процесса при сборке. Наблюдения полей рассеяния средствами электронной микроскопии позволяют упростить контроль и уменьшить личностный фактор проверяющего при визуальном осмотре качества сборки и обработки изделия.
Фильтрация муаровых картин
Прежде чем компьютер сможет перейти к вычислению размерности муаровой картины, необходимо ее подготовить, то есть определенным образом перевести в черно-белый формат, так как цифровая фототехника позволяет передавать до 256000 оттенков серого цвета, что существенно может затруднить обработку изображения и внести ненужные коррективы в расчет.
Для обработки графического материала предложены два алгоритма фильтрации изображения, в которых учтена яркость изображения муаровой картины, полученной от неоднородных магнитных полей на дефектах элементов радиотехники.
Под изображением понимается информация, организованная в виде некоторой числовой матрицы (в простейшем случае - булевой), записанной на какой-либо машинный носитель и воспроизводящей свойства изображаемого объекта и деформации, которые связаны со способом и процессом получения изображения. Число различных значений, которые может принимать каждый элемент этой матрицы, равно некоторой целой степени числа 2. Под обработкой изображения понимается применение к нему системы преобразований, обеспечивающей извлечение из изображения полезной информации о свойствах изображаемого объекта или процесса.
Алгоритм фильтрации является составной частью программного комплекса для информационно-измерительной системы и предназначен для улучшения качества снимков с изображением муаровых картин, полученных с помощью цифровой фототехники.
Конечной целью работы данного алгоритма является выделение на полученном снимке кривых, позволяющих установить связь между величиной поля рассеивания и особенностями объекта, создающего это поле.
Если все сканированные изображения будут иметь в среднем одинаковую яркость, то можно использовать следующий алгоритм:
1 Строится гистограмма уровней серого тона изображения по следующему алгоритму: а) Присвоить элементам массива H(Z) (0 = Z = L) нулевые начальные значения. б) For все пикселы Р изображения do: begin в) Увеличение H(f(P)) на 1; end. г) Конец алгоритма. Где f(p) - значение пиксела Р, изменяющееся в диапазоне [О, L], Н — массив гистограммы.
2. Далее по построенной гистограмме находится максимальный уровень серого цвета в диапазоне цветов [0, 120] (для изображения с 256 цветами), который используется в качестве граничного значения черного цвета при фильтрации изображения муаровой картины.
3. Фильтрация. Черный цвет устанавливается у тех пикселов, которые имеют цвет = граничное значение + Step, где Step задается пользователем (для изображения с 256 градациями серого Step=13..15). В любом другом случае цвет пиксела - белый.
Результат работы такого алгоритма представлен на (рис.4.1).
Если изображения имеют очень низкую яркость, то при работе данного алгоритма появляется погрешность в толщине линий (Рис. 4.2).
Достоинством данного алгоритма является высокая скорость, но если средняя яркость снимков на является постоянной, то из-за погрешности следует использовать второй алгоритм, время работы которого приблизительно в 2 раза больше: 1. Вычисляется средняя яркость изображения [98]. 2. На основе вычисленной яркости выбирается значение уровня серого тона для фильтрации по формуле 1 - средняя яркость .
3. Пиксел включается в группу пикселов, которые затем будут отмечены как черные, если среди непосредственно прилегающих пикселов есть хотя бы один пиксел, яркость которого удовлетворяет условию ((яркость = граничного значения) или (яркость = яркость прилегающего + Step)), где Step = 1..2. При этом обязательно, чтобы выбранный прилегающий пиксел был уже включен в группу пикселов, которые будут отмечены черным цветом.
Программное обеспечение
К материнской плате подключаются устройства, входящие в состав системного блока: центральный процессор (ЦП), оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), накопитель на жестком магнитном диске (НЖМД), привод компакт-дисков «Read Only Memory» (CD-ROM), накопитель на гибком магнитном диске форм-фактора 3,5" (НГМД). К корневому разветвлению шины USB (USB - Hub) подключается цифровая фотокамера. Видеокарта служит для сопряжения системного блока с монитором.
Данное устройство преобразует информацию, находящуюся в видеопамяти, в сигналы кадровой и строчной развертки дисплея (Д) на рис. 5.2. К входу видеосигнала (видео) может быть подключен выход видеосигнала с цифровой фотокамеры. Устройство вывода алфавитно-цифровой и графической информации на бумажные носители (принтер) служит для вывода файла протокола экспертной оценки на печать.
Линии шин адреса (ША) и управления (ШУ). являются однонаправленными. В отличие от ША и ШУ шина данных (ШД) является двунаправленной. В определении тракта передачи данных могут принимать участие и управляющие сигналы, подсоединяющие или, напротив, блокирующие те или иные устройства ПК.
Микропроцессор формирует адрес, по которому хранится код операции команды, переводя в соответствующее состояние шину адреса. Код операции считывается из памяти по сформированному адресу и пересылается в микропроцессор. Команда дешифрируется микропроцессором. Микропроцессор "настраивается" на выполнение одного из основных режимов: запись данных в память машины; чтение данных из памяти машины; пересылку данных в устройство ввода; чтение данных с устройства ввода/вывода; выполнение операций с содержимым внутренних регистров микропроцессора, в соответствии с результатами дешифрирования считанного из памяти кода команды.
Процессор представляет собой 64 - разрядную микросхему, с шиной данных вдвое большей емкости. В данном случае используется технология ММХ (Multi Media extensions), реализованная на архитектуре «SIMD»: «один поток команд — много потоков данных».
Операционная система Windows 2000 поддерживает стандарт Universal Serial Bus (USB), который разрабатывался для замены многочисленных параллельных соединений-и серийных портов на старых машинах. Он позволяет повышать скорость передачи данных до 12 М6ит/5 что намного превышает возможности традиционных серийных портов, скорость которых, как правило, не превышает 115 Кбит/ Tjgg делает ненужными многие традиционные приемы установки программ. Можно добавить принтеры, сканеры, цифровые фотокамеры и оборудование для видеоконференций. Раньше добавление этой периферии означало сложную и часто безуспешную установку драйверов устройств и долгую борьбу с несоответствиями Interruption Re Quest (IRQ). Windows 2000 поддерживает "горячее подключение", что означает возможность безопасно подключать и отключать новую периферию без выключения машины.
Передача картинки с экрана электронографа на компьютер осуществляется посредством цифровой фотосъемки. Наиболее подходящей цифровой камерой, представленной на российском рынке, является HP Photo Smart С618, фирмы - Hewlett Packard. Данная фотокамера имеет разрешение снимков 1600x1200 (пикселей), которое сопоставимо по качеству с традиционной фототехникой. Для передачи данных на компьютер в камере используется USB - интерфейс, а для просмотра снимков видеовыход с RCA_ - коннектором. Управление с компьютера производится при помощи программы Digital Desktop.
Цифровая камера сохраняет изображение в цифровом формате на специальных носителях. Сердцем любого цифрового фотоаппарата является светочувствительная матрица CCD (Charge Coupled Device, то есть ПЗС — прибор с зарядной связью). Обычно в камерах используется 1/3 - дюймовая CCD, состоящая из элементов, преобразующих # световые волны в электрические импульсы. Количество таких элементов колеблется от 350000 в камерах с разрешением 640x480 до 810000 и более в камерах 1024x768. Сами матрицы не являются новым изобретением — родившись как оборудование для физических экспериментов (в частности в физике высоких энергий), они уже давно используются в видеокамерах.
Когда свет достигает ПЗС матрицы, он заряжает каждый из элементов - пикселей индивидуально. Эта зарядка в дальнейшем соответствует электрическому импульсу, и таким образом мы получаем в цифровой форме данные об освещенности каждого из пикселей. Поскольку невозможно записать полностью информацию обо всем изображении, то в дальнейшем оно подвергается обработке программным обеспечением для восстановления потерянных данных и записывается на магнитных носителях. Таким образом, цифровая фотография есть комбинация работы ПЗС матрицы, программного обеспечения и карт памяти.
Большинство камер использует последовательный (СОМ) порт компьютера для передачи изображений. Процесс этот, несмотря на низкую пропускную способность порта, не занимает много времени.
Основными критериями цифрового фотоаппарата для АРМ контроля качества плоских проводников в частности, металлизированных отверстий печатных плат является: — отсутствие искажений (таких, например, как дисторсия — проявления подушкообразное изображения, характерной для непрофессиональных устройств) и затемнений по краям, а также паразитных шумов;
