Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ современных информационно-измерительных систем обнаружения дефектов печатных плат 11
1.1 Анализ видов дефектов печатных плат и принятых систем их классификации 11
1.2 Виды технологических дефектов печатных плат 18
1.3 Влияние механических воздействий на прочность элементов печатных плат 24
1.4 Обзор современных методов обнаружения дефектов печатных плат 33
1.4.1 Электрический контроль 33
1.4.2 Тепловой контроль 34
1.4.3 Вихретоковый контроль 35
1.4.4 Радиационный контроль 36
1.4.5 Оптические методы контроля
1.5 Анализ современных информационно-измерительных систем обнаружения дефектов проводящего рисунка печатных плат 40
1.6 Выводы по первой главе 44
2 Систематизации технологических дефектов печатных плат 46
2.1 Разработка основ систематизации видов технологических дефектов печатных плат 46
2.2 Создание базы данных технологических дефектов проводящего рисунка печатных плат и связанной с ней базы данных моделей их развития под действием внешних факторов 52
2.3 Информационная модель «дефект - причина» на основе анализа технологических дефектов 57
2.4 Методика анализа технологических дефектов проводящего рисунка печатных плат 70
2.5 Выводы по второй главе 90
3 Структурная схема информационно-измерительной системы обнаружения и прогнозирования развития дефектов проводящего рисунка печатных плат 92
3.1 Синтез алгоритма обнаружения дефектов проводящего печатных плат 92
3.2 Алгоритм функционирования информационно-измерительной системы обнаружения и прогнозирования развития дефектов проводящего рисунка печатных плат 104
3.3 Усовершенствование структурной схемы информационно-измерительной системы обнаружения дефектов проводящего рисунка печатных плат 105
3.4 Выводы по третьей главе 109
4 Реализация информационно-измерительной системы обнаружения и прогнозирования развития дефектов проводящего рисунка печатных плат 110
4.1 Разработка лабораторного образца информационно-измерительной системы обнаружения и прогнозирования развития дефектов проводящего рисунка печатных плат 110
4.2 Методика определения погрешности измерения размеров дефектов проводящего рисунка печатных плат 119
4.3 Оценка точности измерения геометрических размеров дефектов проводящего рисунка печатных плат 131
4.3 Методика оценки информативности информационно-измерительной системы обнаружения и прогнозирования развития дефектов 134
4.4 Выводы по четвертой главе 136
Заключение 138
Список сокращений 140
Список литературы 141
- Обзор современных методов обнаружения дефектов печатных плат
- Информационная модель «дефект - причина» на основе анализа технологических дефектов
- Алгоритм функционирования информационно-измерительной системы обнаружения и прогнозирования развития дефектов проводящего рисунка печатных плат
- Методика определения погрешности измерения размеров дефектов проводящего рисунка печатных плат
Введение к работе
Актуальность темы. Современные электронные изделия создаются на основе печатного монтажа, представляющего собой многослойную структуру, состоящую из диэлектрического основания и проводящего рисунка. Условия эксплуатации электронных средств (ЭС) различны и зависят от области их применения, но неизменно к ЭС предъявляются высокие требования по надежности. Максимальные требования по надежности ЭС устанавливают космическая, авиационная и военная отрасли, где ЭС рассчитаны на длительный период эксплуатации в условиях жестких внешних воздействий.
Известно, что 30–40 % отказов ЭС происходит за счет дефектов печатных плат (ПП), причина возникновения которых кроется в несовершенстве или в несоблюдении технологии их производства.
Для эффективного обнаружения и локализации технологических дефектов традиционно используют информационно-измерительные системы (ИИС), позволяющие проводить контроль и диагностирование изделия на всех этапах его производства. Задачей любой ИИС контроля ЭС является выявление критических дефектов, которые приводят к отказу. На сегодняшний день в производстве печатных узлов (ПУ) применяют оптический, электрический, рентгеновский, тепловой и другие виды контроля. При этом процедура контроля должна быть произведена за минимальное время и с наименьшими затратами. Этим условиям вполне соответствует оптический метод контроля, с помощью которого возможен контроль как ПУ, так и печатных плат. Надежность ЭС во многом определяется качеством ПП, основным элементом которых является проводящий рисунок.
При визуальном оптическом контроле проводящего рисунка печатных плат высока вероятность пропуска дефектов за счет субъективности контроля. Поэтому актуальной является задача снижения роли человеческого фактора на основе автоматизированного анализа дефектов.
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 ИИС не только обнаружения, но и прогнозирования развития дефектов печатных плат с учетом внешних воздействий.
Проблемами создания современных информационно-измерительных и управляющих систем занимались В.А. Грановский, Л. Ф. Куликовский, В. С. Мелентьев, В. М. Шляндин, Е. А. Ломтев, Е. А. Мокров, А. И. Мартя-шин, Д. И. Нефедьев, С. А. Прохоров, Э. И. Цветков и др.
Поскольку во многих случаях ПП подвержены знакопеременным механическим воздействиям, то особое значение приобретают исследование механизма усталостной прочности материалов и его математическое моде-
лирование. Значительный вклад в разработку математических моделей конструкций при внешних воздействиях внесли Е. Н. Маквецов, А. М. Тар-таковский, Ю. Н. Кофанов, Г. Г. Малинецкий, Е. Н. Талицкий и др. Основы расчетов динамических и тепловых воздействий в многослойных средах разрабатывались А. Я. Александровым, Л. М. Куршиным и др. Вопросам определения усталостной прочности посвящены работы Н. А. Ковалева, В. П. Когаева, Г. С. Писаренко и др.
Созданию методологических основ контроля и диагностики радиотехнических устройств посвящены работы С. Г. Данилюка, Л. Г. Дубицкого, М. М. Некрасова, В. А. Острейковского, С. У. Увайсова, Н. А. Северцева, П. П. Пархоменко, Н. Н. Новикова и др.
Производство печатных плат – сложный многооперационный процесс, содержащий многообразные операции фотолитографии, травления, металлизации, механического и лазерного сверления и фрезерования, прессования полимерных композиционных материалов, совмещения элементов многослойных структур, оптического тестирования, физического и химического анализа. Технологический процесс содержит свыше 200 основных технологических операций, каждая из которых может стать причиной появления дефектов, причем влияние различных дефектов на работоспособность печатных плат неравнозначно. Поэтому необходимо проводить моделирование развития каждого дефекта и устанавливать связи между дефектами и причинами их возникновения.
В этой связи разработка и расширение функциональных возможностей ИИС обнаружения и прогнозирования развития дефектов печатных плат за счет повышения ее информативности являются актуальными. Под информативностью понимаем количество видов выдаваемых сообщений, увеличение которых обеспечивает снижение неопределенности.
Целью диссертационной работы являются расширение функциональных возможностей и повышение информативности информационно-измерительной системы обнаружения дефектов печатных плат.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
провести анализ видов критических и малозначительных дефектов печатных плат и разработать их систематизацию;
-
провести анализ методов обнаружения дефектов и информационно-измерительных систем, реализующих эти методы;
-
провести анализ моделей развития технологических дефектов, позволяющих прогнозировать развитие дефекта;
-
повысить информативность процесса обнаружения дефектов за счет создания оригинальной методики контроля печатных плат и разработки алгоритма функционирования ИИС обнаружения дефектов печатных плат, реализующего данную методику;
-
усовершенствовать структурную схему информационно-измерительной системы обнаружения дефектов печатных плат;
-
создать лабораторный образец информационно-измерительной системы обнаружения дефектов и прогнозирования работоспособности печатных плат и провести его тестирование;
-
внедрить результаты диссертационного исследования в производство для контроля односторонних и двухсторонних ПП.
Объектом исследования является информационно-измерительная система обнаружения дефектов печатных плат.
Предметом исследования являются методы, алгоритмы, программные и технические средства обнаружения дефектов печатных плат.
Методы исследования основаны на применении теории информационно-измерительных систем, теории обработки изображений, системного анализа, теории математического и имитационного моделирования, методах объектно ориентированного проектирования и анализа технологических систем.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– по специальности 05.11.16:
-
Разработан алгоритм функционирования информационно-измерительной системы обнаружения дефектов проводящего рисунка печатных плат, отличающийся введением процедуры моделирования развития дефектов и обращения к базе их моделей, что позволяет прогнозировать число циклов до разрушения, запас прочности и время до разрушения печатных плат при заданных внешних воздействиях.
-
Усовершенствована структурная схема информационно-измерительной системы обнаружения дефектов печатных плат за счет введения блока моделирования развития дефектов и базы математических моделей для анализа усталостного разрушения и прогнозирования работоспособности печатных плат, а также введения обратной связи за счет использования модели «дефект – причина» для корректировки технологического процесса изготовления печатных плат, что расширяет функциональные возможности ИИС обнаружения дефектов;
– по специальности 05.11.14:
-
Создана систематизация дефектов печатных плат на основе введения в ее структуру признака «латентный дефект», что позволяет обосновать новую группу дефектов для их последующего анализа и повысить полноту описания характеристик дефектов.
-
Усовершенствована методика анализа дефектов проводящего рисунка печатной платы, отличающаяся оригинальным подходом в обнаружении дефектов за счет выделения характерных признаков технологических дефектов печатной платы, включающая этап математического моделирования развития дефектов, что позволяет повысить информативность информационно-измерительной системы обнаружения дефектов печатных плат.
Практическая значимость исследований. Полученные в диссертации теоретические и практические результаты позволяют осуществлять 100 %-й контроль печатных плат и прогнозировать развитие технологических дефек-
тов. Предложенная методика и ее реализация позволяют прогнозировать возникновение отказов печатной платы в процессе эксплуатации и повысить надежность бортовых ЭС.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационного исследования внедрены в производство ОАО «НИИЭМП» в виде рекомендаций по оптимизации процессов контроля качества печатных плат, своевременной наладки технологического оборудования, своевременного информирования об отклонениях в технологических процессах, а также используются в учебном процессе ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» для проведения занятий по дисциплине «Защита радиоэлектронных средств от внешних воздействий».
Достоверность полученных результатов основана на использовании современных технических средств и технологий, компьютерного моделирования и программирования, реализуемых пакетами MATLAB и Ansys, а также на непротиворечивости теоретических и экспериментальных выводов. Научные положения, теоретические выводы и практические рекомендации, содержащиеся в диссертации, обоснованы и подтверждены результатами тестовой эксплуатации лабораторного образца разработанной информационно-измерительной системы обнаружения дефектов печатных плат на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» ФГБОУ ВО «Пензенский государственный университет» и испытаниями, проведенными в ФГУП ФНПЦ «ПО "Старт" им. М. В. Проценко».
Положения, выносимые на защиту:
– по специальности 05.11.16:
-
Алгоритм функционирования информационно-измерительной системы обнаружения дефектов проводящего рисунка печатных плат, позволяющий прогнозировать число циклов до разрушения, запас прочности и время до разрушения печатных плат при заданных внешних воздействиях.
-
Структурная схема информационно-измерительной системы обнаружения технологических дефектов печатных плат, расширяющая функциональные возможностей ИИС обнаружения дефектов.
-
Реализация информационно-измерительной системы обнаружения дефектов печатных плат;
– по специальности 05.11.14:
-
Систематизация дефектов печатных плат, повышающая полноту описания характеристик дефектов.
-
Методика анализа дефектов проводящего рисунка печатной платы, позволяющая повысить информативность информационно-измерительной системы обнаружения дефектов печатных плат.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2009–2016), Международной научно-практической конференции «Молодежь. Наука. Инновации» (Пенза, 2010–2013), Международ-
ной научно-практической конференции учащихся и студентов (Протвино, 2013), Международной научно-технической конференции «Проблемы автоматизации и управления в технических системах» (Пенза, 2013), Всероссийском симпозиуме «Механика и процессы управления» (Миасс, Челябинская обл., 2013), Международной научно-практической конференции «Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий» (Сочи, 2013), XIX IEEE International Conference on Soft Computing and Measurements (SCM-2016, Санкт-Петербург), 13th International Scientific-Technical Conference on Actual Problems of Electronics Instrument Engineering (APEIE-2016, Новосибирск).
Публикации. По теме диссертационного исследования опубликовано 16 печатных работ: две статьи в изданиях из перечня ВАК, две – в изданиях, индексируемых в библиографической базе данных Scopus, 11 – в материалах российских и международных конференций, одна – монография. Получены два свидетельства о государственной регистрации электронного ресурса.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 110 наименований и пяти приложений. Объем работы: 153 страницы основного текста, включающего 52 рисунка, 17 таблиц.
Обзор современных методов обнаружения дефектов печатных плат
Печатные платы представляет собой многослойную структуру, состоящую из слоев (диэлектрического основание, связующее (клей) и проводящий рисунок), каждый из которых характеризуется своими физико-механическими свойствами [24 -23]. ПП являются основой всех радиоэлектронных средств, применяемых в различных областях.
Объекты установки изделий радиоэлектроники определяют виды и интенсивности внешних воздействий. В работах [24, 25] определен перечень и значения воздействующих факторов на бортовую аппаратуру, основными из которых являются механические, климатические факторы и воздействие агрессивных сред. Анализ показывает, что более половины всех отказов радиоэлектронных средств связано с влиянием механических и температурных воздействий [26, 27]. К основным видам механических воздействий, оказывающих негативное влияние на радиоэлектронную аппаратуру, относят линейные ускорения, вибрации и удары. При механических воздействиях наблюдается растрескивание, нарушение паяных, клеевых и сварных соединений, замыкания, пробои, нарушение печатного монтажа, как в однослойных, так и в многослойных ПП изменение геометрических размеров, обрывы межсоединений ПП, отрывы элементов и др [28]. Кроме того, усталостные разрушения в элементах ПП чаще вызваны вибрационными воздействиями, поскольку в момент возникновения резонанса амплитуда вибрации и ускорения в определенных областях ПП увеличиваются в десятки раз по сравнению с амплитудой в точках крепления [29]. Также автором отмечено, что наиболее опасны, с точки зрения возможности разрушения, гармонические вибрации, особенно первый резонанс.
Разрушения элементов ПП могут происходить при напряжениях, значительно меньших предельно допустимых при статических режимах нагружения, что связано с усталостью материалов [30]. Для определения зависимости между интенсивностью воздействий и временем до разрушения необходимо проведение длительных испытаний, что значительно увеличит время производства и стоимость ПП [31]. Кроме того, элементы проводящего рисунка могут содержать дефекты, проявляющиеся исключительно в одном экземпляре ПП и, таким образом, результаты ранее проведенных испытаний не могут быть применимы к данной ПП. Поэтому необходим анализ и проведение моделирования, для каждой выпущенной ПП, в соответствии с положениями сопротивления материалов.
Усталостная прочность представляет собой постепенное накопление повреждений в элементе конструкции при переменных напряжениях. Различают многоцикловую и малоцикловую усталостью [32].
Многоцикловая усталость предполагает наличие достаточно невысоких нагрузок (напряжений) и большого числа циклов. Малоцикловая усталость предполагает наличие довольно высоких нагрузок (напряжений и деформаций) и сравнительно небольшого числа циклов.
Для характеристики многоцикловой усталости используют кривых усталости или кривых Велера (SN кривые), получаемые экспериментально для каждого материала. Они выражают зависимость амплитуды напряжения при симметричном цикле (R = -1) от числа N циклов до разрушения [33 -35].
Горизонтальная часть кривой усталости (рис. 1.5 а) соответствует пределу выносливости, т.е. максимальному напряжению, которое выдерживает материал без разрушения произвольно большое число циклов. И как бы велико не было количество циклов при амплитуде напряжений, меньше данной величины разрушение материала не произойдет. Для цветных металлов кривая усталости не имеет горизонтальной области (рис. 1.5 б), однако угол наклона второго участка гораздо меньше. В таких случаях устанавливают базовое число циклов (заданную долговечность). Считается, что если материал выдерживает базовое количество циклов, то напряжения в нем не выше предела выносливости. Для цветных металлов определено значение N0 = 108 и устанавливается предел ограничительной выносливости (сг_1N) для данной базы испытаний.
Одно из основных уравнений, используемых для описания многоцикловой усталости так называемое уравнение Басквина [36]: = a (2N)2 , (1.1) где аа - амплитуда напряжения в цикле; N - число циклов до разрушения; т/ коэффициент усталостной прочности, зависящий от материала; Ъ - показатель усталостной прочности (показатель Басквина), зависящий от материала. Однако на практике чаще пользуются следующей зависимостью: N = NJa/а)т, (1.2) 0 ( г а где N0 - базовое число циклов; jr - предел выносливости (или предел усталости) для материала; ста - амплитуда напряжения в цикле; m - параметр, зависящий от материала.
Существует несколько вариантов расчета числа циклов до разрушения в зависимости от вида материала (рис. 1.5 а, б). Для материалов с физическим пределом выносливости сгвр (рис. 1.5 а) уравнение кривой усталости имеет вид: crmN о (J J max r N = \ crm max r . (1.3) GO , G G max r где W - показатель наклона участка кривой усталости, N0 - абсцисса точки перегиба кривой усталости обозначается, аг - предел выносливости, N - число циклов до разрушения.
Для материалов с кривой усталости, содержащей два наклонных участка (рис. 1.5 б), уравнение имеет вид а Г CJ CJ г (У У г N0 N = \ ; L , (1.4) (7 к, , { V&) где т - показатель наклона первого участка кривой усталости, т1 - показатель наклона второго участка кривой усталости, N0 - абсцисса точки перегиба кривой усталости обозначается, аг - предел ограниченной выносливости на базе N0 , N - число циклов до разрушения.
Вид кривой усталости существенно зависит от физических характеристик материала. Для ее построения проводят испытания образцов при циклической нагрузке с постоянной величиной максимального напряжения цикла а, и отмечается число циклов до разрушения N. Точки с координатами ( J,N) наносятся на график, а затем по этим точкам строится усредненная кривая.
Основной проблемой при оценке долговечности ПП является получение данных о механических характеристиках материалов ее элементов, поскольку испытания образцов длительный и дорогостоящий процесс, а справочные источники располагают ограниченным перечнем свойств материалов [37, 38]. Поэтому, в отсутствии экспериментальных данных для материалов проводников ПП построим приближенную кривую усталости в полулогарифмических координатах.
Информационная модель «дефект - причина» на основе анализа технологических дефектов
Устройство отображения предназначено для визуального контроля оператором работы системы. Оно состоит из видеокамеры, фиксирующей изображение контролируемой ПП, и монитора, на котором данная информация отображается.
Устройство предварительной обработки изображения обеспечивает удаление шумов и преобразование исходного изображения. Для удаления шумов используют либо пространственную и/или частотную фильтрации, каждая из которых содержит обширный перечень возможных методов коррекции изображений [64 -71]. Общим для этих методов является то, что при сохранении важных для распознавания и классификации дефекта деталей осуществляется уменьшение искажений. Выбор методов фильтрации основан на анализе решаемой задачи и/или последовательном переборе имеющихся методов.
Преобразование исходного изображения производится либо в бинарное, где интенсивность цвета является скалярной функцией, принимающей значения 0 или 1 (например, 0 - для пикселей диэлектрического основания и 1 - для пикселей проводящего рисунка), либо в градационное с ранее установленным ограниченным количеством цветов. Последнее чаще необходимо для контроля печатных узлов на основе ПП. Предварительно обработанное и подготовленное изображение ПП передается в анализирующее устройство, где по формальным признакам производится выявление дефектов ПП и их классификация (отнесение дефекта к определенному типу).
Алгоритмы поиска дефектов проводящего рисунка подразделяют на три укрупненные группы: использующие эталон, не использующие эталон, гибридные [18].
Алгоритмы, использующие эталон, работают на основе логических правил, устанавливающих несоответствия между проверяемой ПП и эталоном с учетом некоторого допустимого порога различий [72]. В качестве эталона могут быть использованы выходные данные систем автоматизированного проектирования, фотошаблоны и так называемая «золотая» ПП, то есть та ПП, которая заранее является эталоном [73, 74].
Одним из ограничений при использовании алгоритмов с применением эталона - высокая чувствительность к масштабу, сдвигу и углу поворота сравниваемых изображений. Эти ограничения могут быть преодолены при использовании не изображения ПП, а модели растровых данных, реализуемых за счет описания топологии ПП в виде графа связности [75], графа описаний свойств объектов, гиперграфа описаний шаблонов и др. [76]. Также, инвариантность к расположению и масштабу достигается использованием структурно-разностной сегментации изображения [77 - 81] или анализа изображений с помощью нейронных сетей. Примером подобных систем является системы OptiCon от GOEPEL Electronics [82].
Алгоритмы без использования эталона основаны анализе следующих признаков: нарушение ортогональности проводников; нарушение допусков на минимальные линейные размеры металлизированных и не металлизированных областей; нарушение границ проводников; нарушение «гладкости» границ проводников [83].
ИИС оптического контроля, не использующие эталон, в основном, строятся на основе теории математической морфологии. В таких ИИС оптического контроля применяются алгоритмы анализа границ элементов, выделения узловых точек изображений ПП (контактной площадки) [84], кластеризации изображения [85 - 88] и т.д. Данные алгоритмы обеспечивают высокую скорость обработки изображения и используются для автоматизации процесса поиска дефектов. Но, не смотря на эти достоинства, все же остается возможность пропуска дефекта или ложного обнаружения.
Третий вид алгоритмов – гибридные, основаны как на сравнении с эталоном, так и на методах контроля топологии элементов [89, 90]. За счет чего обеспечивается увеличение количества определяемых дефектов, повышение скорости контроля. При этом возникает необходимость в получении и хранении эталона.
Таким образом, основным недостатком алгоритмов, с использованием эталонов, является необходимость создания и хранения библиотек эталонов, либо их получение с физического объекта (ПП), имеющего абсолютно идеальное исполнение. Недостатком алгоритмов, не использующих эталон, является то, что дефект может соответствовать всем требованиям, предъявляемым к проводящему рисунку ПП, но, тем не менее, быть дефектом. Однако такие ситуации крайне редки.
Необходимые для проведения анализа данные содержаться в блоке памяти и вызываются анализирующим устройством.
На выходе анализирующего устройства (рис. 1.9) в соответствии с установками пользователя принимается решение о годности ПП, ее отбраковке ПП, а также оценка возможности ремонта.
Как было отмечено выше, ИИС оптического контроля подразделяются на модульные и моноблочные. Создание моноблочных ИИС традиционно осуществляется на основе сложных программно-аппаратных комплексов, относящихся к классу систем технического зрения (СТЗ). Сложность данных систем определяет их высокую стоимость, которая составляет порядка сотен тысяч долларов США, что затрудняет их распространение на отечественных предприятиях.
Алгоритм функционирования информационно-измерительной системы обнаружения и прогнозирования развития дефектов проводящего рисунка печатных плат
На сегодняшний день большая часть технологических операций при производстве ПП автоматизированы. Это позволяет снизить влияние человеческого фактора и повысить эффективность производства. На сегодняшний день при производстве ПП используется современное оборудование и в обязательном порядке содержит операции контроля качества [96]. Однако даже самое совершенное автоматизированное оборудование производства ПП не может гарантировать полное отсутствие дефектов.
Большинство отказов печатных плат связано с наличием технологических дефектов, которые проявляются во время эксплуатации. Появление дефектов обусловлено целым комплексом причин, среди которых – несовершенство технологических процессов, оборудования, износ, изменение параметров материалов в процессе эксплуатации, несоблюдение технологических норм и правил персоналом и т.д.
В целях повышения надежности изделий основные усилия прикладываются в направлении совершенствования методов контроля технологических дефектов. Для этого собирается и анализируется статистика наличия дефектов в тех или иных классах устройств. При этом, выявление причин появления дефектов производится в недостаточной степени, что обусловлено отсутствием математических моделей возникновения различных технологических дефектов [97, 98]. Одной из основных объективных причин отсутствия подобного рода моделей служит то, что технологические процессы являются сложной композицией разноплановых физических и химических процессов. Взаимодействие и взаимовлияние различного рода факторов приводит к тому, практически невозможно создать математически строгую аналитическую или даже инженерную модель появления того или иного дефекта. Именно поэтому при разработке подобного рода моделей используют отклонения многомерного вектора параметров технологического процесса от нормативного для заданного дефекта [99].
Предметные области технологии производства ПП относятся к слабоформализуемым системам [100] и построение аналитических моделей параметров объектов в данных областях практически недостижимо.
Решением этой проблемы является создание описательных моделей, основанных на методах искусственного интеллекта. Первым шагом к разработке такого рода моделей является выявление набора ограничений, позволяющих определить область объектов и явлений, входящих в анализируемую систему. Практическая задача построения моделей возникновения технологических дефектов решается следующим образом. Определяется множество дефектов и строится их классификации, а затем (на основе экспертных заключений в конкретных технологических областях) устанавливаются правила соответствия данных дефектов особенностям конкретных операций ТП. Такая модель является формальной основой экспертной системы, которая позволяет решать обратную задачу поиска отклонений ТП от нормы на основе выявленных дефектов [5].
В диссертационной работе была составлена их классификация технологических дефектов по признаку дефектных элементов ПП (рис. 1.4). Классификация технологических дефектов ПП составлена на основе анализа открытых источников и позволяет учесть практически все причины их появления.
Образование каждого конкретного дефекта указывает на определенные отклонения в технологии производства ПП. Недостатком существующих ИИС, применяемых в технологии контроля, является то, что они дают только заключение о годности ПП на основе сопоставления размера дефекта с предельными размерами, устанавливаемыми в соответствии с нормативной документацией на ПП, так называемая разбраковка. Наличие определенного дефекта является следствием нарушения конкретной технологической операции при производстве ПП и было бы полезно располагать информацией, позволяющей своевременно осуществлять корректировку технологического процесса.
Отсутствие связи между управлением технологическими операциями и их контролем, особенно в условиях серийного производства, может привести к значительному увеличению количества дефектных ПП.
Для устранения указанного недостатка, существующие ИИС обнаружения дефектов ПП должны быть дополнены обратной связью, позволяющей своевременно давать рекомендации по корректировке ТП, на основе анализа данных модели «дефект – причина».
Методика определения погрешности измерения размеров дефектов проводящего рисунка печатных плат
Полученная относительная погрешность измерений, определенная для двух видов дефектов, позволяет сделать вывод о приемлемой точность измерений, что достаточно для контроля ПП до 7 класса. Полученное значение коэффициента вариации позволяет считать параметр измерений стабильным для решаемых задач. Расчет статистических параметров показал, что данный метод позволяет определять основные геометрические характеристики, необходимые для передачи данных в блок моделирования, с достаточной степенью достоверности.
По результатам экспериментов по обнаружению дефектов проводящего рисунка ПП рассчитывается точность определения геометрических размеров дефектов. В ходе испытаний были проверены 5 тестовых ПП, содержащих по 5 дефектов проводящего рисунка. Для каждого обнаруженного дефекта определены характерные геометрические размеры.
Для измерений эталонных значений размеров дефектов использовалось цифровое изображение, полученное с 20-и кратным оптическим увеличением. Измерения проводились как с помощью штангенциркуля, так и с помощью виртуальных измерительных инструментов программы CorelDraw. Результаты измерений сведены в таблицу 4.7.
Для получения оценки точности геометрических размеров воспользуемся методикой, предложенной в работе [110] для систем оптического контроля. На основании экспериментальных данных получено значение коэффициента точности определения геометрических размеров дефекта по формуле: К .= , (4.15) и п 133 где – эталонное значение геометрического размера дефекта; – значение геометрического размера дефекта, определяемое ИИС; – количество геометрических размеров дефектов на одной плате. Таблица 4.8 – Значение коэффициента точности определения геометрических размеров Kpj № ПП 1 2 3 4 5 0,0426195 0,0419 0,040267 0,038129 0,0668 Величина показывает среднюю относительную погрешность определения геометрических размеров дефектов. Обобщая полученные значения, рассчитывается средняя погрешность определения геометрических размеров дефектов на всех тестируемых ПП по формуле: где - средняя относительная погрешность определения геометрических размеров дефектов; - количество тестируемых ПП, на которых обнаружен хотя бы один дефект. Средняя погрешность определения геометрических размеров составляет 4,6 % . Для аналогичных систем, например, Phiplastic, это значение равно 5%. Для повышения точности можно использовать камеру с большим разрешением и более совершенный объектив.
Методика оценки информативности информационно-измерительной системы обнаружения и прогнозирования развития дефектов Под повышением информативности будем понимать увеличение количества предоставляемой системой информации полезной для заинтересованных пользователей за счет увеличения количества и типов сообщений. 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 системами ИИС контроля дефектов ПП генерируемое предложенной ИИС количество информации (информативная ёмкость) увеличивается, что способствует снижению неопределенности. Таким образом, предлагаемая ИИС обеспечивает снижение неопределенности с одной стороны в процессе эксплуатации ПП при определении числа циклов до разрушения и напряжений, действующих в проводнике, с другой стороны при производстве ПП за счет реализации дополнительной связи «дефект – причина».
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. 4.9), 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 каждому обнаруженному дефекту возможные причины их возникновения.