CC BY
19
УДК 681.518.5
Гречишников В.М, , Бутько А.Д. , Ерилкин А.А.
ФГАОУ ВО «Самарский национальный исследовательский университет им. Акад. С.П. Королева», Самара, Россия
МЕТОДИКА ПОИСКА МЕРЦАЮЩЕГО ДЕФЕКТА ПАЙКИ МИКРОСХЕМ В ПРОЦЕССЕ ВИБРОИСПЫТАНИЙ
В статье представлен эксперимент моделирования вибровоздействий на электронный модуль и результаты эффективности поиска мерцающего дефекта типа «короткое замыкание». Ключевые слова:
вибровоздействия, дефект, ^АО-интерфейс, РгоУ1э1оп, эффективность.
Введение:
Увеличение функциональной сложности и плотности монтажа современных электронных плат, требует совершенствования методов контроля качества их сборки. Вследствие быстро растущей сложности интегральных микросхем (ИС) стандартная реализация известных методов тестирования электронных изделий наталкивается на ряд трудностей, таких как техническая и технологическая сложность тестов и, соответственно, значительное время их подготовки и выполнения. Проблемы диагностики особенно актуальны при контроле сложных многослойных печатных плат с корпусами микросхем, не имеющих физического доступа к контактам. Существенно повысить эффективность тестирования электронных плат позволяет хорошо зарекомендовавший себя метод граничного сканирования (Boundary Scan).
Метод граничного сканирования описывается в стандарте IEEE 114 9.1 и определяет размещение распределенных между выводами функционального ядра микросхемы и выводами её корпуса специальных внутренних ячеек граничного сканирования (Boundary Scan Cell), образующих регистр последовательного сдвига. Соответствующий интерфейс, предназначен для подключения электронных модулей к системам тестирования и диагностики, известен как JTAG-интерфейс. Для доступа к тестируемым ИС используется специальный порт TAP (Test Access Port), представляющий собой: регистр входа последовательных данных периферийного сканирования TDI (test data input), регистр выхода последовательных данных TDO (test data output), регистр тестовой синхронизации TCK (test clock), регистр выбора режима тестирования TMS (test mode select). Инициализация TAP-порта может осуществляться через регистр TRST (рисунок 1). Все 5 выводов подключаются к специальному внешнему разъему JTAG на печатной плате.
Использование технологии граничного сканирования позволяет разрабатывать тестопригодные изделия с большим коэффициентом тестового покрытия, повышающим потребительские свойства и надёжность изделий.
ПРОБЛЕМЫ ВЫЯВЛЕНИЯ МЕРЦАЮЩИХ ДЕФЕКТОВ НА ЭЛЕКТРОННЫХ МОДУЛЯХ
К "мерцающим" неисправностям относятся такие, которые проявляются относительно редко, например, 2 — 3 раза в день, когда при повторном тестировании наблюдается нештатное прохождение функционального теста или теста граничного сканирования. Сложность диагностики в этих случаях заключается в том, что невозможно искать неисправность обычным путем, т.е. контрольными измерениями в схеме из-за нестабильности и случайного проявления этого состояния.
Современные изделия бортовой радиоэлектроники представляют собой многослойные печатные платы, на которых установлены микросхемы высокой степени интеграции, каждая из которых может иметь до нескольких сотен выводов [1]. При этом во многих разработках используются микросхемы в корпусах типа BGA, к контактам которых после распайки на плате отсутствует физический доступ. Все это создает сложные, а нередко и неразрешимые, проблемы для ручного поиска дефектов на собранных печатных платах.
В связи с этим представляется перспективным поиск «мерцающих дефектов» методом граничного сканирования при одновременном воздействии на ЭМ провоцирующих факторов в виде пониженных или повышенных температур, вариации атмосферного давления, влажности, также циклических воздействий в виде механической или акустической вибрации.
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПОИСКА МЕРЦАЮЩЕГО ДЕФЕКТА «КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ»
Экспериментальное подтверждение возможностей диагностики скрытых дефектов в процессе вибрационных испытаний [2] сводится к выявлению вероятности обнаружения искусственно созданного мерцающего дефекта. Имитация такого дефекта осуществлялась с помощью геркона, включенного между двумя соседними контактами испытуемой схемы. Функциональная схема экспериментального стенда приведена на рисунке 2
ПК (Provision)
TAP JT3705
TRR - Ы
Рисунок 1 - Микросхема с элементами граничного сканирования
Рисунок 2 - Функциональная схема диагностики дефекта тип «короткое замыкание» в процессе импульсных испытаний
ИМС 1
ИМС 2
В состав стенда входит ПК - компьютер с установленным программным обеспечением Provision. В программе ProVision[2] ранее разработанный диагностический проект. ПК через TAP контроллер JT3705 соединен с эталонной платой стенда, на которой установлена ИМС 2. ИМС 1 - микросхема со «скрытым» дефектом пайки, который имитируется с помощью герконового реле типа TRR-1A. Микросхемы
ИМС1 и ИМС2 - Altera EPM57 0F10 0I5N; для управления переключением геркона использован импульсный генератор (Г) Г6-26; для контроля формы сигнала с геркона контролировалось с помощью цифрового осциллографа GW Insteck GDS 806S.
Общий вид экспериментальной установки приведен на рисунке 3.
Рисунок 3 - Общий вид экспериментальной установки для имитации вибро - испытаний и диагностики
Как показали эксперименты, в диапазоне частот от 0 до 400Гц дефект обнаруживался в течении одного цикла тестирования. Поэтому наибольший интерес представлял диапазон 400-1000Гц. Учитывая, что начальная фаза вибровоздействия случайна относительно начала цикла тестирования для повышения достоверности результатов диагностика на каждой частоте проводилась в течение 10 последовательно выполняемых тестов. Кроме того, для большей надежности, каждый цикл, состоящий из 10 тестов, выполнялся 10 раз. Таким образом,
на каждой частоте тестирование проводилось 100 раз.
В результате статистической обработки результатов эксперимента были получены оценки эффективности диагностирования в зависимости от количества циклов и частоты вибровоздействия. При этом под эффективностью диагностики понимается количество тестов, выявивших дефект к общему числу выполненных тестов. Графическое отображение эффективности изображено на рисунке 4.
1,20
1,00
0,80
0,60
-е-
t
0,40
0,20
0,00
> Эффективность на 5 циклах
Ш эффективность на 10 циклах
на 15 циклах . Эффективность
на 20 цмклах
600 700 800
Частота, Гц
Рисунок 4 - графическое отображение результатов диагностирования на частотах 400 - 1000 Гц,
количество циклов 5, 10, 15, 20
Как и следовало ожидать (рисунок 4), при увеличении частоты вероятность локализации дефекта при однократном тестировании уменьшалась.
Исходя из проведенного эксперимента, можно утверждать, что программно - аппаратный комплекс JTAG Provision уверенно производит поиск и локализацию дефектов на низких частотах. Ведь даже на частоте 1 КГц достаточно будет 10 циклов диагностики данной платы. Один цикл приблизительно длится по времени две секунды. Это время определяется основным параметром - сложностью печатной платы (количество электрических слоев, установленных компонентов, микросхем с JTAG интерфейсом, реальным покрытием печатной платы).
Как уже отмечалось, в процессе эксперимента диагностика проводилась с произвольным временным сдвигом относительно начальной фазы вибровоздействия, что приводит к значительному разбросу данных от опыта к опыту. Для того, чтобы адекватно обработать результаты, полученные выше, необходимо было провести исследование на этих частотах, но с большим количеством циклов диагностирования. Выбрано десять проходов на исследуемых частотах по десять циклов в каждом. Результаты обработки показаний представлены на рисунке 5.
Рисунок 5 - зависимость вероятности появления ошибки от частоты
Для того, чтобы вычислить зависимость вероятности появления ошибки от частоты, проанализированы данные, на основании которых определялось, сколько раз за один десятицикловый проход появится отчет об успешно пройденном тестировании. Такие данные были получены для каждой частоты за десять проходов диагностирования.
Как видно из рисунка 5, при увеличении частоты до 1КГц, для достоверного обнаружения дефекта под корпусом BGA, следует учитывать высокую вероятность возникновения ошибки диагностики, но вполне достаточно десяти циклов в одном проходе.
ВЫВОДЫ
Теоретически обоснован выбор количества циклов тестирования при виброиспытаниях для обеспечения 100%-ной диагностики в зависимости от
соотношения периода вибровоздействия, длительностей тестовой последовательности и цикла тестирования.
Результаты проведенных исследований показали, что при 10 циклах диагностики искусственно вносимый дефект типа К.З определялся со 100-% ной вероятностью. В диапазоне частот вибровоздействия от 0 до 400Гц дефект определялся после 12 циклов тестирования. С увеличением частоты количество необходимых циклов увеличивалось до 5. В худшем случае, на частоте 1 кГц, коэффициент запаса по числу циклов диагностики был не хуже 5-6.
ЛИТЕРАТУРА
1. Иванов, А В. Ключевые моменты тестопригодной разработки / А.В. Иванов // Электронные компоненты. - 2010. - № 18. С. 4-8.
2. Гречишников В. М. Многофункциональные пакеты программ граничного сканирования / А. Д. Бутько // XII королевские чтения - 2013. - Том 2. С. 116-117.
УДК 536.51
Прошин А.А., Мухамбетов А.М., Горячев Н.В,
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет», Пенза, Россия
ЭВОЛЮЦИЯ БЫТОВОГО ТЕРМОМЕТРА
Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда (проект № 15-19-10037 от 20 мая 2015 г.)
Человек заболел. Каковы его основные действия в данном случае? Безусловно, начать лечение. Кто-то начинает принимать лекарства, антибиотики, кто-то прибегает к средствам народной медицины, пьет чай с малиной, теплое молоко с медом и так далее. Но есть один пункт при лечении заболевания, который един для всех, - измерение температуры. Все прекрасно знают, что если человек болен, за температурой обязательно нужно следить, не то велик риск не заметить развитие лихорадки и тогда уже своими силами справиться будет довольно проблематично.
Сейчас на рынке присутствует огромное количество самых разнообразных устройств для измерения температуры, которые можно условно объединить одним понятием - термометр (или в простонародье «градусник») [1] . На прилавках аптек и других магазинов можно найти как старые, проверенные временем, ртутные и спиртовые термометры, так и новые электронные, инфракрасные, контактные, бесконтактные, одноразовые, термометры со сменными насадками, нанотермометры и так далее, разновидностей очень много. И мы все принимаем это как должное. Появилась необходимость, открыли домашнюю аптечку, достали термометр, измерили температуру. Но когда-то люди и представления не имели ни о чем подобном, и банальная простуда была для них сродни петле на шее - над
тобой нависла угроза, а что делать и как бороться - неизвестно.
Но, само собой, как всегда и бывает, рано или поздно находится человек (а то и несколько), который изменит устоявшийся порядок вещей. Кто-то меняет в лучшую сторону, кто-то в худшую. Но не будем о грустном и поговорим об истоках возникновения и изобретения предмета данной статьи. Как и в случае с радиосвязью достаточно сложно однозначно ответить на вопрос, кто же был первооткрывателем идеи измерения температуры с помощью специального прибора, иными словами, кто же изобрел термометр. Мнения историков на этот счет сильно разнятся, кому только они не приписывают изобретение этого замечательного устройства: Галилею, Санторио, лорду Бэкону, Роберту Фладду, Скарпи, Корнелию Дреббелю, Порте и Са-ломону де Каус. Это легко объясняется тем, что многие ученые одновременно работали над одним и тем же, совершенно не подозревая, что кто-то еще выполняет ту же самую работу. Однако, официально все же принято считать изобретателем термометра Галилео Галилея, в работах которого, правда, нет никаких упоминаний об этом, зато его ученики, Нелли и Вивиани, скрупулезно засвидетельствовали, что их учитель еще в 1597 году создал устройство, именуемое термобароскопом, или просто термоскопом. Термоскоп представлял из себя небольшой стеклянный шарик, к которому припаивалась стеклянная трубка. Дабы начать работу, шарик нагревали, а конец трубки опускали в сосуд, наполненный водой. Спустя какое-то время
