CC BY
129
УДК 681.3
ТЕХНОЛОГИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НАДЕЖНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ НА ОСНОВЕ
ТЕПЛОВИЗИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ
Лопин Александр Викторович
Воронежский государственный технический университет, Россия, Воронеж
e-mail: [email protected]
394026, Воронеж, ул. Московский пр-т, д.14, тел. (473) 243-77-06
В статье рассмотрена задача технологии исследования надежностных характеристик элементов печатных плат радиоэлектронных средств на основе тепловизи-онной диагностики с применением методов распознавания и расчета характеристик надежности.
Ключевые слова: тепловизионная диагностика, надежностная характеристика, изображение, функция, элемент
В современных условиях одним из важных требований предъявляемых к радиоэлектронным средствам (РЭС) является высокая степень её надежности в различных условиях эксплуатации в течение требуемого промежутка времени.
Достижение высокого уровня надежности РЭС, как правило, основано на грамотном подходе при проведении эскизно-технического проектирования и высоком уровне технологии промышленного производства. Одним из важных этапов промышленного производства РЭС является процесс контроля параметров всех его составляющих, включая элементы печатных плат. В зависимости от типа физического взаимодействия с контролируемым элементом РЭС контроль подразделяют на девять основных видов: оптический, электрический, тепловой, акустический, магнитный, вихретоковый, радиоволновый, радиационный и контроль проникающими ве-ществами[1]. Каждый вид контроля решает ограниченный круг задач. Как правило, основная задача контроля состоит в том, чтобы правильно используя эффективные методы и средства контроля, своевременно выявить(обнаружить) технологические
дефекты производства или отдельных элементов и обеспечить высоконадежную эксплуатацию РЭС.
Современные РЭС представляют собой сложные комплексы, состоящие из огромного числа различных элементов, таких, как полупроводниковые приборы, интегральные схемы и т.п. Работоспособность таких систем зависит от внутренних физических процессов в отдельных элементах, определяющих их температурный режим. От 10 до 50% случаев выхода из строя РЭС связаны с нарушением теплового режима, как отдельных элементов, так и аппаратуры в целом. До 90% всех форм энергии в РЭС превращается в тепловую, а, следовательно, тепловое поле в аппаратуре является эффективным показателем ее качества и надежности. В связи с этим постоянно возрастает роль тепловизионной диагностики РЭС.
Целью настоящей статьи является представить технологию исследования надежностных характеристик элементов печатных плат радиоэлектронных средств на основе тепловизионной диагностики с применением методов распознавания и расчета характеристик надежности.
На сегодняшний день тепловизионная диагностика является эффективным методом дистанционного неразрушающего контроля, однако, требующего решения отдельных методических вопросов применения в конкретных областях промышленности и науки. Непосредственным решением методических задач в области теп-ловизионной диагностики элементов РЭС является выявление картины распределения температуры и обнаружение локальных источников повышенного теплового излучения элементов печатной платы, появление которых вызвано неправильным выбором номиналов при проектировании, изменением номиналов элементов в процессе эксплуатации или блокированием воздушного потока компонентами РЭС. Одним из путей реализации процесса тепловизионной диагностики является сличение исследуемого образа с эталонным на основе сравнения их системы признаков, объединенные в так называемые векторы признаков. На основе статистики результатов те-пловизионных измерений печатных плат в состав вектора признаков Рj могут быть включены такие геометрические и энергетические параметры, как относительные координаты энергетических центров излучения в прямоугольной системе координат (Xji,Yji) и энергетические параметры в виде значения радиационной температуры соответствующего центра излучения Tjk . В качестве энергетического центра излуче-
ния выступает отдельно взятый элемент(микросхема, транзитор, диод и т.п.) расположенный на печатной плате. Графическая схема получения составных элементов вектора признаков представлена на рис. 1.
Рис. 1. Графическое представление элемента вектора признаков
Сам процесс диагностики, например, печатной платы, сводится к трехэтапному процессу, включающему непосредственное получение тепловизионного изображения печатной платы, нахождение эталонного образа из библиотеки и сличение исследуемого тепловизионного изображения с эталоном с целью выработки заключения о неисправности или низкой надежности составных элементов печатной платы. Формализация второго и третьего этапа тепловизионной диагностики может быть осуществлена с применением общей теории распознавания. Для реализации процесса формализации наиболее привлекательными выглядят модели, основанные на эвристических методах описания процессов распознавания объектов в части выбора вторичных признаков и синтеза алгоритма распознавания. В этих методах за основу берутся интуиция и опыт человека, содержащие принципы перечисления членов класса и общности свойств [2,3]. В результате эвристически предлагается некоторое метрическое пространство векторов признаков распознавания объектов. Метрика этого пространства (часто евклидова) используется в качестве меры различимости объектов. При этом, если пространство векторов признаков выбрано удачно, то его метрика при использовании некоторой монотонной функции (например, функции распределения вероятностей стандартной нормальной величины) может обеспечить приемлемую точность оценки вероятности правильного попарного различения объектов и, соответственно, вероятности распознавания объектов некоторого класса.
На основе совокупности векторов признаков Pj формируется библиотека эталонных образов печатных плат, в рамках которой осуществляется последующее
распознавание.
Непосредственно процесс распознавания проводится применительно к следующему алгоритму.
Во-первых, находятся значения евклидовых расстояний dj элементов векторов признаков из библиотеки эталонных образов и наблюдаемой печатной платы, рассчитываемые по формуле[1]:
dj(PjM)
g
£ W
q=1
2
q
Pjq - m
q
(1)
где j - номер объекта в библиотеке образов, g- количество элементов вектора признаков объекта, pjq - q-й элемент вектора признаков P j из библиотеки образов, mq-q-й элемент вектор признаков наблюдаемого объекта, Wq - весовой коэффициент q-го элемента вектора признаков объекта, удовлетворяющий условию £ Wq = 1.
На основе минимальных значений dj идентифицируется наиболее близкий образ из библиотеки эталонных образов.
Во-вторых, для наиболее близкого из эталонных образов и исследуемого объекта рассчитывается функции сходства S, по Кульжинскому вида [1]:
А
S =------
n - A ’
(2)
где А - число случаев, когда наблюдаемый объект обладает признаками, аналогичными объекту из библиотеки образов, n-суммарное количество элементов признаков.
Аналогичность или совпадение признаков наблюдаемого и эталонного из библиотеки образов объектов определяется на основе совпадения численных значений признаков с учётом заданных величин доверительного интервала. Учитывая, что в вектор признаков входят координаты энергетических центров излучения (Xji,Yji) и энергетические параметры в виде значения радиационной температуры соответствующего центра излучения Tjk , наличие доверительных интервалов обусловлено тем, что для нормальной работы радиоэлементов существует рабочий диапазон температур, а с изменением энергетического состояния радиоэлемента пло-
щадь энергетического центра может быть «размыта». Сделать оценки этой точности, определяющей доверительные интервалы численных значений элементов вектора признаков распознавания, можно на основе знания рабочих диапазонов температур радиоэлементов и по результатам предварительного анализа геометрических размеров энергетических центров.
Физический смысл функции сходства S заключается в определении исправного состояния объекта (функционального блока выполненного на печатной плате) и надежностных характеристик отдельно взятых радиоэлементов. Предполагается, что исправность объекта определяется исправностью всех составных элементов объекта, т.е. S=1. В случае S<1 объект либо неисправен, либо находится в состояние пониженной надежности. Локализация неисправности и выявление элемента с пониженной надежностью (температурный режим превышает установленные нормы) осуществляется на основе вектора признаков М сформированного в двоичном коде, элементам которых присваивается значение единица, если относительные доверительные интервалы численных значений соответствующих признаков, принадлежащих исследуемому объекту и объекту из библиотеки образцов пересекаются, и ноль в противном случае. Значения А определяются в результате подсчета числа совпадений соответствующих признаков в векторе М.
Процесс расчёта надежностных характеристик отдельно взятых радиоэлементов может осуществляться на основе статистики экспериментальных данных, либо на основе теоретических расчётов [4 ].Так, например, уровень надежности радиоэлементов может определяется вероятностью безотказной работы Рбр и рассчитываться по формуле [5]
_ t_
Рр (t) =(к'е)', (3)
где t - время работы радиоэлемента, t - средний срок службы радиоэлемента, к-коэффициент учета эксплуатационных факторов.
Одним из важнейших эксплуатационных факторов влияющих на надежность радиоэлементов является относительное изменение интенсивности отказа за счет влияния температурного режима. Например, по результатам экспериментальных исследований [4] установлено, что для блоков РЭС с воздушным охлаждением при
изменении температуры от 40 до 700 С интенсивность отказов увеличивается в 2...6 раз (см. рис.2).
хтшгв)
5 4 J 2 і
П 50 40 50 HQ Т’С
Рис. 2. Изменение интенсивности отказов X радиоэлементов с температурой Т
для РЭС с воздушным охлаждением.
Если принять средний срок службы радиоэлемента 10000 часов, а в качестве коэффициента учета эксплуатационных факторов относительное изменения интенсивности отказов от температурного режима радиоэлементов, то характер распределения Рбр (t) от температурного режима будет иметь вид представленный на рис.3.
Рис. 3. Вероятность безотказной работы радиоэлементов при различных температурных режимах (1- изменение температуры Т~ 40 0 C; 2- изменение температуры Т~ 70 0 C;3 - изменение температуры до предельно допустимой).
Таким образом, зная температурный режим элементов РЭС, а также их временной ресурс, не трудно рассчитать надежностные характеристики в виде вероятности безотказной работы. Данный подход позволяет по результатам термографи-
ческой диагностики не только локализовать неисправность, но и спрогнозировать надежность как отдельных радиоэлементов, так и функциональных блоков в целом.
На основе предложенного методического подхода к процессу тепловизион-ной диагностики на рисунке 4 представлена структурная схема технологии исследования надежностных характеристик элементов печатных плат РЭС.
Рис. 4. Схема технологии исследования надежностных характеристик элементов печатных плат РЭС
Выбор предложенного методического подхода в диагностике элементов РЭС по их тепловизионным изображениям определяется его простотой и достаточной точностью. Применение эвристических методов распознавания объектов по сравнению со статистическими менее трудоёмки как в подготовке исходных данных, так и в проведении последующих расчётов с применением ЭВМ при достаточно низкой погрешности. Использование предложенного методического подхода является целесообразным при проведении работ связанных с диагностикой элементов РЭС в условиях необходимости проведения неразрушающего контроля на различных предприятиях промышленности и науки.
Список литературы.
1. Урличич Ю.М., Данилин Н.С. Неразрушающий контроль паяных соединений в радиоэлектронной аппаратуре / Мир измерений. июнь 2010.
2. А. Фор Восприятие и распознавание образов. - М.: Машиностроение, 1989
3. Дж.Ту, Р. Гонсалес Принципы распознавания образов. -М.: Мир ,1978.
4. Ненашев А.П. Конструирование радиоэлектронных средств.-М.: Высшая школа, 1990г.
5. Денисов Г.В., Седякин Н.М. К вопросу эксплуатационной надежности радиоэлектронной аппаратуры.-М.: Сов. радио,1960.
TECHNOLOGY OF RESEARCH THE RELIABILITY CHARACTERISTICS OF UNITS OF PRINTED CIRCUIT CARDS OF RADIO-ELECTRONIC RESOURCES ON
THE BASIS OF THERMAL DIAGNOSTICS.
Lopin Alexander Viktorovich Voronezh state technical university, Russia, Voronezh e-mail: [email protected]
In article the task of technology of research the reliability characteristics of units of printed circuit cards of radio-electronic resources on a basis thermal diagnostics with application of methods of recognition and calculation of characteristics of reliability is considered.
Keywords: diagnostics, the reliability characteristic, image, function, a unit
