CC BY
238
УДК:53.083.94:536.52 Исаев С.С., Юрков Н.К.
Россия, Пенза, Пензенский государственный университет
МЕТОДИКА ТЕПЛОВИЗИОННОГО КОНТРОЛЯ НЕИСПРАВНОСТЕЙ ПЕЧАТНЫХ УЗЛОВ РЭА НА ЭТАПЕ ПРОИЗВОДСТВА
Аннотация. В статье проведен анализ наиболее распространенных методов тепловизионного контроля печатных узлов радиоэлектронной аппаратуры. Рассмотрены различные особенности внедрения методов тепловизионного контроля в производственный процесс. Предложена новая методика тепло-визионного контроля печатных узлов радиоаппаратуры.
Ключевые слова: тепловизионный контроль, тепловизор, печатный узел, метод тепловизионного
контроля.
Введение
Анализ технического состояния элементов радиоаппаратуры при поиске неисправностей является одним из наиболее сложных процессов. На сегодняшний день наиболее распространенным методом диагностирования элементов РЭА является анализ электрических параметров. Хотя известно, что около 90-95% используемой энергии радиоэлементы преобразуют в тепло, тепловые методы неразрушающего контроля и диагностики печатных узлов на этапе производства не имеют широкого распространения и применяются для решения частных задач.
Из всей номенклатуры тепловых методов неразрушающего контроля на сегодняшний день наибольший интерес представляет тепловизионный метод, [9 из диссертации], являющийся пассивным бесконтактным тепловым методом с визуализацией температурных полей.
Тепловое (инфракрасное) излучение возникает в твердых телах, жидкостях, газах вследствие колебаний атомов в кристаллической решетке или вращательно-колебательных движений молекул [2]. Диапазон длин волн инфракрасной части спектра электромагнитных излучений составляет от 0,75 до 1000 мкм и находится между видимым светом и радиоволнами
Тепловизор - оптико-электронный прибор, предназначенный для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности посредством построения термограмм (тепловых изображений) . Тепловизор формирует изображение инфракрасного спектра, невидимого невооруженным глазом, в зависимости от интенсивности излучаемой энергии.
Вопрос автоматизированного диагностирования радиоэлектронной аппаратуры с помощью тепловизоров неоднократно рассматривался в конце прошлого века. Разработке бесконтактных методов термометрии посвящены работы Нелепина P.A., Федотова H.H., Францева Р.Э., Чецкого В.И., Вакуленко А.С. [1,2]. Однако, ввиду сложности, громоздкости и дороговизны тепловизоров того времени, результаты данных работ не нашли широкого применения при поиске неисправностей в радиоэлектронной аппаратуре.
На сегодняшний день тепловизионный контроль (ТК) находит все большее и большее применение в различных сферах промышленности. И связано это в первую очередь с тем, что применение матриц из неохлаждаемых кремниевых микроболометров [3] в конструкции тепловизоров нового поколения позволило устранить основные недостатки, присущие старому поколению тепловизоров: громозд-
кость, стационарность, необходимость охлаждения матрицы. Таким образом, к имеющимся достоинствам добавились новые, выдвигая ТК на первое место, по сравнению с другими методами.
Наиболее значимые направления применения ТК при производстве радиоаппаратуры были обозначены в [4,5]. Рассмотрим их подробнее.
1. Применение ТК на этапе постановки изделий на производство. Суть этого направления состоит в проведении сравнения расчетных значений температур электрорадиоизделий (ЭРИ) печатного узла с фактическими значениями, измеренными в реальном режиме работы изделия. Такое применение ТК даст достоверную картину распределения тепловых полей печатного узла, что позволит внести необходимые коррективы в конструкцию изделия.
В настоящее время на этапе проектирования радиоаппаратуры широко применяются различные программы математического компьютерного моделирования, позволяющие оценить и скорректировать разрабатываемую конструкцию до этапа изготовления опытных образцов. Соответствие модели реальным процессам зависит от ее адекватности, соответствующей возможностям программы; точности заданных параметров и данных, описывающих полученную модель. Как известно, модель отражает определенные свойства объекта, в силу чего имеет достаточно большую погрешность. Погрешность современных тепловизоров составляет 2% и менее. Из этого следует вывод о том, что ТК может дополнить компьютерное моделирование, повысив достоверность результатов. Помимо этого, возможно проведение оценки адекватности используемой тепловой модели путем сравнения смоделированной термограммы с реальной.
2. Неразрушающий контроль. Данное применение ТК направлено на определение работоспособности печатных узлов и проведение последующей диагностики отказов ЭРИ и других дефектов, в том числе технологических, по изменению излучаемой мощности. По характеру теплового излучения возможно определение работоспособности радиоэлементов. Кроме того, ТК позволяет выявить дефекты, которые связанны с нарушением технологии изготовления. Например, отсутствие теплопроводящей пасты между элементом и теплоотводом, плохой контакт элемента с теплоотводом, неверная высота установки элемента, отсутствие клеевого слоя между элементом и платой, и др. Такие дефекты влияют на температурный режим работы элемента и приводят к неправильной работе или к выходу элемента из строя [6]. К дефектам печатных плат, выявляемым с помощью ТК, можно отнести некачественную пайку, дефекты дорожек, связанные с подтравливанием или растрескиванием.
Важно отметить, что температурная диагностика печатного узла может проводиться как в статическом, так и в динамическом режимах, тем самым позволяя выявить дефекты, проявляющиеся со временем.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что ТК ЭРИ может дополнить методы компьютерного моделирования тепловых процессов и стать хорошим подспорьем уже существующим методам диагностики ЭРИ, а в ряде случаев и заменить их.
2. Обзор методов тепловизионного контроля и диагностики печатных узлов
О применении ТК в производстве радиоэлектронной аппаратуры, как одного из видов неразрушающего контроля, в открытой печати говорится мало. Из предложенных методик особого внимания заслуживают методики, представленные в [4] и [5]. Обозначим их соответственно Методика1 и Мето-дика2 и рассмотрим их особенности.
Суть Методики1 заключается в анализе теплового поля печатной платы с радиоэлементами в стационарном и нестационарном режимах, т.е. позволяет отследить возможные изменения распределения тепла во времени в силу изменения теплоемкости, плотности материалов комплектующих элементов. В свою очередь в стационарном режиме, возможно, выявить большое количество дефектов, поэтому данный метод учитывает оба подхода.
Принцип работы Методики1 заключается в следующем: посредством программы АСОНИКА-Т моделируют тепловые процессы в печатной плате, с учетом различных дефектов [7] . При этом получают набор смоделированных термограмм, каждая из которых соответствует определенному дефекту, и из этого набора формируется справочник термограмм. Далее с помощью тепловизора, либо матрицы термодатчиков получают термограмму диагностируемой печатной платы и сравнивают ее с термограммами из справочника. Выбор соответствующей термограммы осуществляют по наименьшей разности рассчитанной и зафиксированной тепловизором температур комплектующих радиоэлементов печатной платы. В итоге получают графическое представление исследуемой печатной платы с обозначением дефектного элемента. Решение данной методики программное.
Методика2 по своей сути представляет из себя метод исследования надежностных характеристик радиоэлементов печатных плат на основе тепловизионной диагностики с применением методов распознавания.
Принцип работы Методики2 отражен в представленной в [5] структурной схеме. Преобразуя термограммы эталонных печатных плат в системы или векторы признаков, создают библиотеку эталонных тепловых образов. В состав вектора признаков включают такие параметры, как координаты энергетических центров излучения в прямоугольной системе координат и значения радиационной температуры соответствующего центра излучения. С помощью тепловизора получают термограмму исследуемой печатной платы и преобразуют в тепловой образ. Используя доверительный интервал, сравнивают измеренный тепловой образ с эталонным и делают вывод о работоспособности печатного узла. Кроме этого, зная температурный режим и временной ресурс радиоэлементов печатного узла, делают вывод о его надежности.
Сходство рассмотренных методик заключается в необходимости создания библиотеки (справочника) данных, с которыми сравниваются данные, полученные в процессе диагностики. Достоинствами Методики1 являются:
- диагностика печатного узла в нестационарном режиме, благодаря чему возможно установить большее количество дефектов;
- малое время процесса диагностики исследуемого печатного узла.
Существенным недостатком является необходимость моделирования большого числа возможных отказов радиоэлементов печатного узла, что приведет к значительным временным затратам и необходимости привлечения к работе соответствующих специалистов. В условиях серийного и мелкосерийного производства большой номенклатуры радиоприборов данный подход неэффективен.
Достоинством методики2 является ее простота, поскольку не требует написания сложных программ, к тому же позволяет прогнозировать надежность радиоэлементов печатного узла.
Существенным недостатком является отсутствие возможности диагностики отказа и определения его причины.
3. Разработка собственной методики ТК печатных плат
При разработке собственной методики тепловизионного контроля печатных плат учитывались достоинства и недостатки рассмотренных выше методик, а также условия, присущие процессу серийного производства печатных плат.
За основу вновь разработанной методики взят принцип, предложенный в Методике 2. Весь процесс исследования разбивается на три этапа: 1)получение посредством тепловизора термограммы
исследуемого печатного узла, затем 2)сравнение с соответствующей ей эталонной термограммой и с термограммами забракованных по различным параметрам печатных узлов, и 3)выдача заключения. Эталонную термограмму предлагается получать с печатного узла, проверенного уже имеющимися методами контроля. Заполнение библиотеки термограмм брака предлагается осуществлять по мере выявления негодных печатных узлов и сохранения их термограмм с описанием характера обнаруженного дефекта. Идентификацию дефектов предлагается осуществлять имеющимися методами: метод замены,
метод воздействия, метод исключения и др.
При серийном выпуске РЭА процесс регулировки и проверки печатных плат по электропараметрам должен быть оперативным, соответственно время процесса тепловизионного контроля должно быть ограниченно. Программная реализация разработанной методики самым лучшим образом будет соответствовать условиям производственного процесса печатных узлов. Написание компьютерной программы избавляет от необходимости разработки и изготовления каких-либо дополнительных вычислительных приборов, требующих, к тому же, постоянного обслуживания и аттестации. Для докомплектации рабочего места в производственном помещении цеха достаточно будет дополнительно установить ЭВМ и штатив с тепловизором.
Подход, реализованный в разработанной методике тепловизионного контроля печатных узлов, избавляет пользователя от необходимости моделирования большого числа возможных отказов радиоэлементов [8-10]. Как показывает практика, отказы печатных узлов на этапе изготовления и регулировки зачастую связаны с чувствительностью, хрупкостью устанавливаемых радиоэлементов, случайных превышениях режимов работы ПУ при настройке, значительное влияние оказывает «человеческий фактор» [11,12]. По этим причинам, как правило, отказывает определенная группа радиоэлементов. При повторении отказа, время его диагностики будет сокращено, поскольку в библиотеке термограмм бракованных плат уже будет вся необходимая информация об отказе.
В случае, когда нет необходимости определения причины отказа печатной платы, достаточно будет сравнения только с эталонным тепловым образом.
В процессе работы данной методики делается вывод не только о работоспособности или неработоспособности печатной платы, но и определяется причина ее неработоспособности ввиду отказа какого-либо радиоэлемента. Данный подход ускорит поиск отказавшего радиоэлемента и время восстановления работоспособности забракованного печатного узла.
Выводы
В результате работы рассмотрена возможность применения тепловизионного контроля и диагностики работоспособности печатных узлов РЭА на этапе производства, произведен обзор имеющихся в открытой печати методов теплового контроля и диагностики печатных узлов с помощью тепловизора, и на основании проведенного анализа представленных методов, был разработан новый метод, соче-
2
тающий в себе лучшие качества рассмотренных, и наиболее отвечающий требованиям процесса производства РЭА.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бекешко Н.А. Тепловые методы неразрушающего контроля изделий и элементов радиоэлектроники. -Измерение. Контроль. Автоматизация, 1979, вып.5
2. Д.А.Нестерук, В.П.Вавилов. Тепловой контроль и диагностика. Учебное пособие для подготовки специалистов I, II, III уровня. - Томск:, 2007. - 104 с.
3. Д.В. Карнеев. 2006 г. Современные микроболометры. Технологии и характеристи-ки.URL:http://www.secuteck.ru/articles2/videonabl/sovremennye_mikrobolometry/ (дата обращения: 06.03.2012).
4. Юрков Н.К. Преимущества тепловизионного контроля и перспективы его использования в производственном процессе ФГУП ФНПЦ «ПО «Старт» им. Проценко. / Юрков Н.К., Исаев С.С. / Новые промышленные технологии. 2011. №6 стр. 8-10.
5. Юрков, Н.К. Анализ отечественных и зарубежных программных средств моделирования теплового режима печатных плат / Н.К. Юрков, А.В. Затылкин, Д.А. Голушко // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС : межвуз. сб. науч. тр. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2011. - Вып. 16. - С. 37-44.
6. Лопин А.В. Технология исследования надежностных характеристик элементов печатных плат радиоэлектронных средств на основе тепловизионной диагностики. Труды международного симпозиума «Надежность и качество 2011», Пенза том 2 стр.50-52.
7. Жаднов, В.В. Управление качеством при проектировании теплонагруженных радиоэлектронных средств. / В.В. Жаднов, А.В. Сарафанов. М.~: Изд-во «Солон-Пресс», 2004. - 464 с.
8. Затылкин, А.В. Модель программной системы оценки теплового режима конструкций РЭС / За-
тылкин А.В., Кочегаров И.И., Крылов С.В. // VII научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов РГУИТП: тезисы докладов. - М.: Изд-во РИО РГУИТП, 2011. - С.
129-131.
9. Затылкин, А.В. Программная система оценки теплового режима конструкции радиоэлектрон ных средств / А.В. Затылкин, И. И. Кочегаров, С. В. Крылов // Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС : межвуз. сб. науч. тр. / под ред. Н. К. Юркова. - Пенза : Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2011. - Вып. 16. - С. 216-221.
10. Моделирование нестационарных тепловых полей электрорадиоэлементов / А.В. Затылкин, В.Б. Алмаметов, А.В. Авдеев, Г.В. Таньков, Н.К. Юрков, В.Я. Баннов // Надежность и качество-2010: труды международного симпозиума. Том 1./ Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во ПГУ, 2010,
с. 446-449.
11. Ольхов, Д. В. Система обработки экспериментальной информации в проектных исследованиях радиотехнических устройств / Д. В. Ольхов, А. В. Затылкин, Н.К. Юрков // Известия ЮФУ. Технические науки. - 2012. № 5. - С. 94-99.
12. Затылкин, А.В. Управление исследованиями моделей радиотехнических устройств на этапе
проектирования / А. В. Затылкин, А. Г. Леонов, Н. К. Юрков // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии: научно-технический журнал - Астрахань: Издательский дом «Астрахан-
ский университет», 2012. - № 1(17). - С. 138-142.
13. Кочегаров И.И.,Затылкин А.В., Крылов С.В. «Программная система оценки теплового режима конструкции радиоэлектронных средств»// Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС : межвуз. сб. науч. тр. / под ред. профессора Н. К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - Вып. 16. -232с. - С. 216-222
14. Информационные технологии проектирования РЭС. Единое информационное пространство предприятия : учеб. пособие / В. Б. Алмаметов, В. Я. Баннов, И. И. Кочегаров. - Пенза : Изд-во
ПГУ, 2013. - 108 с.
15. Юрков, Н.К. Алгоритм проведения проектных исследований радиотехнических устройств опытно-теоретическим методом / А.В.Затылкин, И.И.Кочегаров, Н.К. Юрков //Надежность и качество: Труды международного симпозиума. В 2-х т. Под ред. Н.К. Юркова. Пенза: Изд-во Пенз. гос. унта, 2012. Том 1, С. 365-367
3
