Учебник по Технологии

Анализ этих зависимостей показывает, что изменение hK, F , tC, tпк от минимального до максимального значения приводит к изменению в третьем знаке значения общего уровня контролепригодности.

7.3. Оптические методы контроля в производстве печатных плат

Печатная плата, появившаяся около 50 лет тому назад, продолжает оставаться одним из важнейших элементов электронных узлов. За 5 лет рынок их сбыта расширился не менее чем в 2 раза, причем темпы роста производства в США и Японии выше, чем в странах Западной Европы.

Общая тенденция миниатюризации электронных компонентов приводит к уменьшению толщины и ширины полосковых проводников, расстояния между ними, толщины диэлектрических подложек ПП. Это обстоятельство требует изменения не только технологии производства ПП, но и технологии и организации их контроля.

Существует два основных метода контроля ПП: электрический и оптический. Первый применим не на всех стадиях производства ПП и характеризует лишь текущее состояние электрических соединений, не прогнозируя их поведение в будущем. Оптические методы принципиально позволяют обнаруживать дефекты любого типа, обеспечивают более высокую скорость получения и переработки информации, весьма универсальны. Оптические методы относятся к бесконтактным, так как контролируется не сама ПП, а ее изображение в контрольном устройстве. Контроль фоточувствительного покрытия ПП сводится в большинстве случаев к проверке равномерности его нанесения и наличия микродефектов – проколов. На стадии фиксации рисунка и окончательной доводки контролируются ширина полосковых проводников и расстояние между ними, наличие разрывов и замыканий проводников, отслоение проводников от подложки.

В задачу контроля входит не только отбраковка ПП на всех стадиях технологического процесса, но и выявление определенных статистических закономерностей для принятия оперативных по воздействию на технологический процесс. Если исключить контроль отслоения проводников, все остальные контрольные операции связаны с измерением линейных размеров: диаметра проколов,

598

ширины проводников, расстояний между проводниками. Поэтому рассмотрим кратко метрологические характеристики ПП и проанализируем линейное разрешение при оптических методах контроля.

Минимальные линейные размеры ПП непрерывно уменьшаются. В настоящее время типовые размеры составляют единицыдесятки микрон, намечается переход в субмикронную область. Поэтому целесообразно оценить возможности оптических методов и границ их применения в части контроля ПП.

Измерение ширины проводников, расстояния между ними, ширины разрыва или перемычки сводится к оценке взаимного положения двух границ в оптическом изображении проводников в контрольном устройстве. Для фотошаблона это границы раздела между прозрачными и непрозрачными участками, т.е. областями с существенно различной оптической плотностью, для ПП между участками с различными значениями коэффициентов оптического поглощения и отражения или в изображении между областями с различной освещенностью. Степень различия оптических характеристик можно описать коэффициентом контрастности. Разумеется, значение этого коэффициента весьма велико для фотошаблонов – там условия близки к идеальным. Для ПП контрастность во много раз ниже, что резко ухудшает надежность контроля изображения.

Степень соответствия изображения ПП исходному объекту в основном зависит от двух параметров оптической части контрольного устройства: разрешающей способности и резкости, т.е. различимости близко расположенных элементов и четкости границ в изображении. Разрешающую способность оценивают, задавая контрастность и минимальное расстояние между соседними элементами, при котором они обнаруживаются как раздельные. Резкость обычно характеризуют среднеквадратической крутизной перепада яркости изображения.

Крутизна перепада яркости изображения возрастает при увеличении степени когерентности излучения, причем одновременно граница в изображении смещается вправо относительно своего геометрического положения.

При контроле фотошаблонов ошибка, связанная с выбором порога отсчета освещенности, при постоянной ширине полосковых проводников может быть скомпенсирована. При измерениях на ПП дело осложняется изменением характеристик поглощения и отражения материалов проводников и подложки в значительных

599

пределах. При изменении коэффициента отражения ПП изменяется и перепад освещенности изображения, что при постоянстве порогового уровня определения границы может привести к появлению погрешности измерений, особенно при микронной ширине проводников.

Таким образом, при контроле ПП оптическими методами необходимы учет инструментальных погрешностей, оценка степени влияния объекта измерений на точность, специальные методы калибровки измерительных блоков контрольных установок.

Оптический контроль рисунка проводников на ПП является частным случаем общей задачи распознавания образов. Существенное упрощение при этом заключается в том, что требуется оценка близости данного изображения не с одним из множества эталонов, а с единственным эталоном. Однако задача осложняется необходимостью проведения количественных оценок множества параметров: размеров проводников, отверстий, контактных площадок и относительного расположения перечисленных элементов. Именно последнее обычно не позволяет контролировать изображение в целом как некий обобщенный образ, хотя принципиально применение таких методов допустимо, особенно при контроле фотошаблонов со сравнительно большими (десятки и сотни микрон) проводниками и расстояниями между ними.

Общим для всех оптических методов является наличие источника излучения, освещающего контролируемый объект, и приемника, преобразующего оптический сигнал в электрический. Однако источники излучения могут быть когерентными и некогерентными, освещать контролируемый объект целиком или частично, иногда отдельные его точки. Приемник излучения также может быть одно- и многоэлементным, а последний – линейным и плоскостным, матричным.

Методы контроля различаются способом сравнения контролируемого объекта с эталоном, а также формой представления эталона.

В простейшем случае эталоном служит сам физический объект с идеальными параметрами, в других случаях им является бинарный эквивалент упомянутого объекта, а иногда совокупность топологических признаков, характеризующих контролируемый объект. Возможно представление эталона в преобразованном виде, например, в форме пространственного спектра эталонного изображения.

600

В основу классификации методов контроля ПП можно положить следующие признаки: форма представления эталона, методика сравнения контролируемой платы с эталоном, характер используемого излучения, степень автоматизации, место устройства в технологическом процессе. Две основные формы представления эталона – это дискретная и аналоговая. Поскольку ПП состоит из двух видов материалов: подложки и проводника, к распознаванию которых и сводится процесс контроля, бинарная форма представления эталона выглядит рациональнее и используется гораздо чаще. Аналоговое представление эталона используется в корреляционных методах, а также в дифференциальных, причем в последнем случае возможен и безэталонный контроль. В контурных методах применяется иногда аналоговая форма, чаще – дискретная.

Наиболее высокую производительность обеспечивают корреляционные методы, в частности, те из них, которые основаны на сравнении фурье-преобразования изображения контролируемой платы, исключении из него спектра пространственных частот, соответствующих эталону, и последующем преобразовании разностного спектра для получения изображения только искаженных областей. Практическая реализация этого метода даже для контроля шаблонов встречает значительные трудности вследствие необходимой высокой точности и критичности совмещения фурье-спектров. При контроле ПП значительные флуктуации коэффициентов поглощения и отражения от поверхности подложки и проводников приводят к появлению оптических шумов в их изображении, что создает непреодолимые трудности для практического применения такого метода.

По мнению ряда авторов, контроль ПП может быть сведен к анализу топологических признаков. Действительно, весь набор топологических признаков для данного типа ПП обычно насчитывает не более 30–40 модификаций, т.е. можно контролировать отсутствие разрывов, разветвления и углы, под которыми разветвляются проводники, сужения и переходы к контактным площадкам, отверстия и пр. Варианты топологического анализа могут быть различными: построение ориентированных графов, отслеживание контуров, использование шестиугольников Голея. Анализ топологических признаков обычно осуществляется выделением части ПП в виде «электронного окна», построением для него двоичного эквивалента в виде некоторой матрицы, сравнением последней с допустимыми вариантами. Ограничения этого метода определяются не-

601

достаточной координатной привязкой обнаруживаемых дефектов, трудностью контроля линейных размеров.

Во многих случаях, в частности при анализе топологических признаков, изображение разбивается на значительное число участков, которые контролируются последовательно. По аналогии с ручными методами визуального контроля здесь говорят о поле зрения контролирующего устройства, т.е. о площади участка ПП, контролируемой в некоторый отрезок времени.

Требования к точности методов контроля в значительной степени определяются минимальными линейными размерами, подлежащими оценке или измерению. В устройствах с дискретизацией координат вместо разрешения используют число дискретных позиций по каждой координате. Точностные характеристики определяют как методику контроля ПП, так и способы технической реализации методов: дискретизация изображения целиком или по частям, степень параллельности обработки информации.

Все изложенное позволяет утверждать, что основной задачей контроля ПП является получение изображения рисунка проводников с необходимой контрастностью. Эта задача осложняется наличием оптического шума в изображении, обусловленного рядом причин. К ним относятся: несовершенство исходных материалов ПП, влияние пыли и механических повреждений поверхности, нарушения технологических режимов, коррозия, дефекты шаблонов. Необходимость выделения сигнала на фоне значительных помех приводит к включению в контрольные установки ЭВМ микропроцессорных устройств с соответствующим математическим обеспечением, что в свою очередь требует предварительного преобразования изображения в некоторый цифровой эквивалент, т.е. дискретизации с заданным шагом по площади изображения и квантования по уровням освещенности в полученных дискретных позициях.

Повышению контрастности способствует выбор в устройстве контроля осветителя с соответствующими параметрами. Однако более существенным оказывается выбор материала подложки, обеспечивающего наилучшую различимость проводников при заданном источнике лучистой энергии. Несмотря на значительное число работ, посвященных выбору диэлектрика для ПП, данные по спектральным характеристикам поглощения и отражения соответствующих материалов отсутствуют.

602

7.4. Наладка радиоэлектронных средств

Любое электронное устройство после электромонтажа подлежит наладке с целью обеспечения функционирования и достижения номинальных параметров, указанных в технических условиях (ТУ) на изделие. Наладка – это комплекс технологических операций, в результате выполнения которых наладчик, не изменяя схему и конструкцию устройства, достигает путем соответствующих приемов его номинальных характеристик.

Наладка представляет собой сложный ТП, для проведения которого требуется высококвалифицированная рабочая сила. Трудоемкость наладочных работ достигает 40 % от общей трудоемкости изготовления электронных устройств. Особенно сложна наладка макетов и опытных образцов, когда нет проверенного TП наладки, электромонтажных карт и специализированных стендов. Более того, в этом случае неизвестно, может налаживаемое устройство в заданном схемном и конструктивном исполнении надежно функционировать в соответствии с техническим заданием (ТЗ) или не может, в результате какой-либо принципиальной или схемной ошибки, неудачной конструкции или неудачного монтажа. Трудность наладки состоит также в том, что в электронных приборах, особенно в аналоговых, приходится обеспечивать номинальное значение и высокую стабильность таких физических величин, как электрическое напряжение, ток, сопротивление, электрическая прочность, магнитная и электрическая проницаемости и т.п. Даже правильно спроектированное устройство после электромонтажа может не функционировать из-за следующего:

∙изменения параметров элементов в процессе монтажа (перегрев, нарушение изоляции, появление паразитных термопар в местах пайки, отрицательное воздействие флюса и т.п.);

∙наличия паразитных взаимных влияний элементов и узлов устройства из-за неправильного их расположения – ошибок монтажа (отклонений от принципиальной электрической схемы);

∙ошибок в маркировках элементов;

∙скрытых дефектов пайки и многих других причин.

Задачи и методы наладки зависят от типа производства сложности устройства, его назначения, этапов разработки (эскизный, технический или рабочий проекты), условий эксплуатации и т.п.

603

Наладка опытных образцов осуществляется, как правило, при непосредственном участии разработчика схемы. При этом используется большой набор контрольно-измерительного оборудования (КИО).

Наладка устройств в серийном производстве сводится к устранению ошибок монтажа, проверке режимов элементов и регулировке изделия с целью достижения заданных характеристик.

Исходные данные

Виды и количество необходимой исходной документации зависят от производства, сложности изделия и степени его членения на сборочные единицы.

В общем случае в качестве исходных данных используется следующая техническая документация: техническое описание, технические условия на изготовление, принципиальные электрические и электромонтажные схемы, схема внешних соединений, а также программа испытания изделия.

На основании перечисленной документации разрабатываются технологические карты и инструкции по регулировке, которые составляются с более жесткими допусками по сравнению с требованиями ТУ. Это объяснится тем, что такие допуски на отдельные операции обеспечат соответствие изделия в целом ТУ при его общей регулировке и контроле. Кроме того, технологический запас допусков должен обеспечить нормальную работу изделия в реальных условиях при воздействии климатических факторов.

Втехнологических картах приводится описание работ и операций, выполняемых над изделием; при этом указываются способы выполнения работ, даются схемы подключения измерительных приборов, перечень необходимых приборов, инструментов, специального оборудования, пределы показаний приборов, описываются мероприятия, проводимые регулировщиком при непредвиденных остановках или задержках в работе.

Вкартах приводится временной график выполнения работ и указывается время, необходимое на выполнение каждой операции.

Технологические карты применяют в серийном и массовом производствах при регулировке сравнительно простых устройств.

В технологических инструкциях указываются:

∙ требования к состоянию изделия, при котором производится его регулировка, и квалификация наладчика;

604

∙перечень КИО, инструментов и приспособлений;

∙меры безопасности;

∙требования к рабочему месту; порядок подготовки к регулировке и подключению приборов;

∙последовательность проведения регулировочных операций поблочно и изделия в целом, способы регулирования отдельных составных частей;

∙количество рабочих режимов регулирования и их зависимость от климатических условий, а также ориентировочная продолжительность этих режимов в часах. В необходимых случаях в технологическую инструкцию включают временные диаграммы работы устройства согласно принципиальной или функциональной схемам.

Технологические инструкции применяются как в опытном, так и серийном производстве. Они по сравнению с технологическими картами дают большую информацию для регулировщика и способствуют повышению качества и производительности регули- ровочно-настроечных работ.

Для проверки правильности электромонтажа, соответствия параметров схемы заданным и проверки цепей электропитания пользуются электроконтрольными картами (ЭКК) сопротивлений и напряжений, которые составляются по результатам измерений величин сопротивлений и напряжений у проверяемого, соответствующего ТУ изделия, принятого за эталон. В ЭКК указываются значения сопротивлений и напряжений в наиболее важных контрольных точках устройства относительно корпуса или между ка- кими-то точками.

В массовом и крупносерийном производствах, когда ТП регулировки расчленяется на отдельные операции, технологические карты и инструкции, а также ЭКК сопротивлений и напряжений должны при необходимости составляться для каждой операции отдельно. Кроме того, стандартами ЕСТД дополнительно устанавливается следующая технологическая документация:

1) операционные карты технологического контроля (ГОСТ 3.1502–74), в которых указывают содержание операции по переходам, применяемые приспособления, измерительные инструменты, приборы;

605

2)ведомости операций технологического контроля (ГОСТ 3.1502–74), в которых содержатся перечень и описание всех операций технического контроля, выполняемых в одном цехе, в технологической последовательности с указанием данных об оборудовании и оснастке;

3)карты измерений (ГОСТ 3.1504–74), которые служат для регистрации измерений контролируемых параметров.

Уровни и способы поиска неисправностей персональных ЭВМ

Рассмотрим три уровня поиска неисправностей и ремонта ПЭВМ: платы, ИС и схемы. Каждый уровень имеет свои цели при поиске дефектного компонента или соединения с последующей заменой или ремонтом.

На уровне плат заменяют подозрительную ПП; на уровне ИС определяют и заменяют дефектную ИС или компонент; на уровне схемы определяют точную причину неисправности.

Проще всего заменить всю дефектную плату. При замене ИС используют два способа. Первый способ заключается в замене ИС по одной до тех пор, пока не будет обнаружена дефектная. Труднее всего точно найти дефектную ИС и заменить только ее. К сожалению, в ПЭВМ этот уровень сложнее, чем в РЭА. Прежде всего в ПЭВМ только небольшое число ИС находится в гнездах. Многие ИС впаяны в плату, что усложняет их замену. Второй способ заключается в определении подозреваемых ИС и замене их по одной до обнаружения дефектной ИС.

Замена плат. Когда ПЭВМ выходит из строя, пользователя не интересует, почему это случилось, ему нужна работающая ПЭВМ.

В ПЭВМ типа IBM PC бывает шесть и более плат (основная плата и съемные дочерние платы). В этом случае технику необходимо отыскивать дефектную плату. Он должен проанализировать симптомы неисправности, определить дефектную плату и заменить ее. Операция диагностирования и замены ПП повторяется до успешного завершения ремонта.

Если имеются конкретные симптомы, указывающие на одну или две платы, например, на дисплее изображение мелькает или нарушается строчная (кадровая) синхронизация, неисправными считаются плата монохроматического адаптера или цветная графиче-

606

ская плата. Их нужно заменять по одной, и изображение восстановится. Если этого не происходит, значит неисправность находится в мониторе.

Еще один симптом, относящийся к данным платам, связан с отсутствием графических изображений на экране монитора. Этот симптом также требует замены плат. Если неисправность исчезает, то неисправна одна из ИС на дефектной плате. Когда на экране отсутствует текст, а графика выводится, неисправность находится в цветной или графической плате, так как именно она задает графический или текстовой режим. При замене платы неисправность обычно исчезает.

Симптом, относящийся к цветной (графической) плате, заключается в отсутствии цвета или плохом цвете. Именно эта плата формирует цвета. Если новая плата не восстанавливает цвета, то неисправен цветной монитор.

Схемы клавиатуры, естественно, вызывают неисправности, относящиеся к клавиатуре. Например, при нажатии клавиши на экране появляются неправильные символы. Возможно, вместо прописных букв появляются строчные, или наоборот. Клавиатура в IBM PC сама по себе является небольшим компьютером со своим процессором и ПЗУ. Для устранения таких неисправностей необходимо заменить плату клавиатуры. Неисправности на этих платах вызывают невозможность обращения к накопителям или ошибки в операциях считывания и записи.

Тщательный анализ симптомов позволяет определить возможную причину неисправности одной или двух плат. Если, например, один накопитель не проводит считывание и запись, то неисправна аналоговая плата накопителя. Когда не считывают и не записывают оба накопителя, дефект находится на плате адаптера дисковых накопителей. Если к накопителям вообще невозможно обратиться, подозрительны обе платы. Кроме конкретных неисправностей, есть такие общие симптомы, как отсутствие изображения или «мусор» на экране. К сожалению, эти симптомы вызываются многими платами, исключая платы дисковых накопителей. В этом случае приходится проверять клавиатуру, основную плату и две дисплейные платы.

Несмотря на дороговизну замены плат, для сокращения времени ремонта во многих случаях пользуются этим способом.

607