Файл: Данилин Н.С. Теория и методы неразрушающего инфракрасного контроля радиоэлектронных схем.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 15.07.2024

Просмотров: 148

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

Г Л А В А 4

РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКИХ ТРЕБОВАНИЙ К ОБОРУДОВАНИЮ И СРЕДСТВАМ ИНФРАКРАСНОГО

НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ, ЭКСПЛУАТАЦИИ И РЕМОНТЕ

РАДИОЭЛЕКТРОННОЙ АППАРАТУРЫ

§ 4.1. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИНФРАКРАСНОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ

В настоящее время проверку состояния контролируемого объек­ та осуществляют автоматические системы контроля и обнаруже­ ния неисправности. Автоматические системы контроля (АСК) и автоматические системы обнаружения неисправности (АСОН) построены по следующему принципу: чувствительные датчики из­ меряют необходимые параметры определенных участков объекта контроля, полученная информация обрабатывается и анализиру­ ется с помощью логического устройства, в результате чего на вы­ ходе получаем информацию о состоянии объекта контроля, кото­ рая используется для прогнозирования его работоспособности.

Для получения этой информации необходимо измерять ряд па­ раметров сигнала цепи контролируемого объекта: частоту элект­ рического сигнала, его фазу, амплитуду, сопротивление в цепи и т. д. Это множество измеряемых параметров в свою очередь тре­

бует множества разнообразных

чувствительных датчиков с раз­

личными

значениями

пороговой

чувствительности в зависимости

от типа

и назначения

контролируемой схемы.

Такое требование приводит к ограничению применения АСК и АСОН, к увеличению их сложности, стоимости, объема, в резуль1 тате чего почти невозможен 100-процентный контроль состояния элементов контролируемой аппаратуры и обнаружения места от­ каза с точностью до элемента. В этом случае АСК и АСОН будут содержать значительно больше элементов, чем контролируемый объект. Достоверность полученной информации будет очень мала

53

ввиду того, что надежность самих систем контроля и обнаружения неисправности будет невелика по сравнению с надежностью объек­ та контроля.

В связи с этим становится насущной проблема отыскания тако­ го универсального параметра в схеме, который был бы общим для всех элементов схемы, независимо от их режимов работы, сигна­ лов в схеме и от назначения самой схемы. Кроме того, этот уни­ версальный параметр должен измеряться чувствительным датчи­ ком одного типа с постоянным порогом чувствительности.

Таким параметром можно считать генерационно-рекомбина­ ционное инфракрасное излучение элементов интегральной схемы в диапазоне 1—6 мкм [30].

Замеряя его интенсивность от различных участков контроли­ руемой интегральной схемы и обрабатывая полученную информа­ цию, можно получить сведения о состоянии отдельных элементов интегральной микросхемы и о месте расположения отказавшего элемента.

Известно, что элементы с повышенной интенсивностью генера­ ционно-рекомбинационного излучения быстрее других теряют ра­ ботоспособность. Изменение генерационно-рекомбинационного из­ лучения происходит под влиянием изменения режима работы или под влиянием старения элементов. Это позволяет по измеренной интенсивности инфракрасного (ИК) излучения диапазона 1—6 мкм оценить работоспособность элементов, предсказать вре­ мя их безотказной работы, найти отказавший элемент в схеме.

При поиске неисправных элементов достаточно регистрировать элементы, ИК излучение которых не выше ИК излучения окружаю­

щей среды.

При прогнозировании работоспособности

элементов

необходимо

регистрировать

градации изменения ИК

излучения

этих элементов.

1

 

Исходя из рассмотренного, можно сделать вывод о возможно­ сти прогнозирования (обнаружения) неисправных элементов в ин­ тегральных микросхемах по ИК излучению с помощью модели, изображенной на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Модель системы инфракрасного неразрушающего контроля: 1 — радиометрический прибор; 2 — пороговая схема; 3 — коррелятор.

В общем случае необходимо снять

терморельеф

радиосхемы

А)(х\у) радиометрическим прибором

1, пропустить

этот термо­

рельеф через пороговую схему 2, на выходе которой получим пре-

54

образованный терморельеф Bj (л-; _у), н .подать на вход коррелято­ ра 3, на второй вход которого подаются терморельефы у ' , каждый из которых соответствует определенному отказу в данной интегральной схеме.

Преобразованный терморельеф Вi (.v; у ) представляет собой грубое повторение терморельефа Л,-(.v.y), в котором уровень ИК излучения выше порогового обозначен через 1, а ниже — через 0.

Порог выбирается так, чтобы ИК излучение

неработающего эле­

мента было ниже его, а ИК излучение работающего — выше.

В общем случае процесс обнаружения

неисправности

можно

представить так:

 

S

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

А >(■*; -V) -

в \ ('V'; У)

- (f

(-И

У) В\ (л-; у )

d S ,

 

(4.1)

где

ф

— интеграл

по плоскости

схемы;

 

 

 

 

 

 

Bj —; терморельеф данной микросхемы при i отказе;

 

 

В\ — является членом множества М всех возможных термо-,

 

 

рельефов

данной

интегральной схемы:

 

 

 

 

 

 

в , е м ,

 

 

 

 

 

(4.2)

где i — порядковый номер терморельефа

из

множества

М.

 

Если множество М полное, то при допущении, что в схеме толь­

ко один

отказавший

элемент

i= 1,2,3,..., N,

где N — количество

элементов в микросхеме, при совпадении терморельефов

Вj

и В\,

т. е.

i = j, на выходе коррелятора

будет

i

максимальный

сигнал,

свидетельствующий о том, что отказал

элемент, которому соот­

ветствует подаваемый в данный момент

 

на

коррелятор

термо­

рельеф

Bj.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так

как реализовать преобразователь

двухмерного или трех­

мерного терморельефа схемы

затруднительно, то

целесообразно

заменить одну из осей пространства осью времени, т. е. необходи­

мо

провести развертку

во

времени.

Тогда

процесс обнаружения

неисправного элемента

можно представить в следующем виде:

 

 

 

 

 

т

 

 

 

 

As(.х; у ) -> Aj (л*; т)

Bj (х; т) -> j Bj (л'; т) В\ (л*;

') d~,

(4.3)

 

 

 

 

 

о

 

 

 

где

т — текущее

время;

данной

схемы.

'

 

 

 

Т — время просмотра

 

 

 

Коррелятором может служить логическое устройство, а также

мозг и глаз человека.

 

реализующей

инфракрасный

метод

 

Итак, модель

системы,

контроля, нами построена.

Рассмотрим подробнее

возможность

ИК

метода прогнозирования состояния интегральных

схем.

 

'С5

§ 4.2. ИНФРАКРАСНЫЙ МЕТОД ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМ

Согласно принятой векторной модели состояния интегральной схемы необходимо измерять параметры, характеризующие состоя­ ние элементов и схемы в целом, не в ограниченном числе контроль­ ных точек, а для каждого элемента в отдельности. Это вызывает некоторые затруднения при применении выбранной модели, так как измерительная аппаратура, работающая по методу контактно­ го измерения, будет очень сложна и малонадежна.

Функция зависимости состояния микроэлектронных элементов от их генерационно-рекомбинационного излучения является слу­ чайной. Это объясняется различием в структуре, состоянии поверх­ ности, лакокрасочного покрытия и в химико-физических внутрен­ них процессах элементов одного и того же номинала и типа.

Пусть в результате статистического анализа или изучения фи­ зико-химических процессов старения стал известен закон измене­

ния параметра состояния элемента

х, от интенсивности

ИК

из­

лучения /,.

 

 

 

 

 

X, = Ф, (/,).

 

 

 

 

Так как состояние элемента меняется во времени,

т. е. х,=х,((),

то I,=J,(t). Определенному значению случайной

величины

I,

со­

ответствует случайное значение другой величины

х,,

т. е.

имеется

стохастическая связь .между этими

величинами.

 

 

 

 

Для определения основных характеристик случайной функции

х |=Ф | (/) необходимо знать одномерные

законы распределения

f (х,) и / ( / ) , а также двумерный закон

распределения f (х,\ I,).

По этим распределениям можно определить вероятность того, что

1,^=ха,

при /1 = /pi:

 

 

 

 

 

 

 

xal+ Axi

xal

 

 

 

 

 

 

/

(*|; /|) dx1 — j

/ (a,;

I,) dx 1

 

 

P { x « M = — ---------; ----------- =------------- — ,

(4.4)

 

 

 

/ (jci; h) dx,

 

 

 

 

 

\

v

 

 

 

 

где Хь,

 

— 00

 

 

величии х,

и /pi — фиксированные значения

случайных

и I,.

 

математическое

ожидание величины

х,

при

фикси­

Условное

рованном I, =

Д[ определяется как

 

 

 

 

 

 

 

\ х, / Ui; I\) dx,

 

 

 

 

 

M \ x , ! h , \ = ^ ------------------- .

 

 

(4.5)

 

 

 

j / (a,; h) dx,

 

 

 

Из уравнения (4.5) следует, что при изменении I, во времени будет меняться и математическое ожидание состояния i элемента

56

M\x\ih(t)\, т. e. зависимость M\x\I\] представляет собой линию регрессии. Подставляя в уравнение (4.5) конкретное изме­ ренное значение 1\, получим оценку состояния i элемента в дан­ ный момент времени.

Линию регрессии в случае определения состояния элемента по его ИК излучению можно линейно аппроксимировать уравнением

Л4 (л-,./,! Л, /, + А.,.

(4.6)

Для определения характера линии регрессии необходимо оце­ нить коэффициенты Ai и А2. Эта задача приемлемо решается ме­ тодом наименьших квадратов:

М \ [М (jcj '/i) - А, /, - А,\ '\

=

min.

(4.7)

По экстремуму данной функции для А|

и А2 получаем:

 

/И {[а, -.44 (а,)] [/, — М (/,)]}

(4.8)

V м \ [h - м ц щ

 

'

 

 

А , — Ж (а.) А,М (/,).

 

 

(4.9)

Соответственно линия регрессии (4.5) определится как

 

/И {[а, - Л4(а ,)] |h - M

(/,)]}

 

М [лп//,] = Л4 (а-,) +

 

i h - м

т

 

 

 

(4.10)

По полученным соотношениям можно не только оценить состоя­ ние элемента по его ИК излучению, но и решить обратную задачу,

т. е. по заданному состоянию определить

 

соответствующее

ему

ИК излучение,

а затем

по зависимости

h (е)

найти ресурс элемен­

та. Полученная

оценка

состояния

i элемента Л4 [ai//i] — Aiср

ис­

пользуется для вывода обобщенной модели

состояния

схемы. В

этой модели состояние i элемента является

вектором в

t-мерном

пространстве, т. е.

 

 

 

 

 

 

 

 

cos cti-Vj0 — 0

при

j >

/.

 

 

Поэтому для нахождения направляющих

косинусов-векторов сос­

тояний Ay необходимо решить систему из

i

уравнений:

 

 

 

COS 'fi.1 = COS Я, A , 0 COS «I а ,0;

 

 

cos «1,2 = COS a., a ,0 cos ai Ai° +

COS aj A.J° COS a, a2°;

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.11)

COS ®i,i =COS aI Aj° COS aj Aj°-|-COSa2 A2°COS aj V'2°-b COS a, Ai- 1

COS Я[ A|_1 •

57

При знании направляющих косинусов остальных i—1 векторов состояний решение данной системы уравнений дает направляю­ щие косинусы i вектора. Отсюда следует вывод о необходимости

последовательного определения векторов

д'ь начиная с i—1 й

кончая i= N. Проекции любого Гвектора Х\

на любую ось коорди­

нат N-мерного пространства определяется как

кц ==Х\ cos щ.Vj°.

(4.12)

Проекции вектора состояния схемы на оси координат -равны:

 

 

 

 

 

А р - Ь и -

 

(443)

 

 

 

 

 

| 1

 

 

Соответственно

общее

уравнение состояния

микросхемы

запн-

шется

в виде

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Л'

N

 

(4.14)

 

 

 

 

j I

 

 

 

 

 

 

 

 

а с учетом выражения

(4.13) как

 

 

 

 

 

 

N

N

 

 

 

 

.V

 

\

1 1

 

(4-15)

 

 

 

 

j

 

 

Раскрывая значения

 

/tij

в соответствии с

выражением

(4.12),

имеем

 

 

 

к г х

 

 

 

 

 

 

 

(4.16)

 

 

 

У,

XI A'i cos ai^j

 

 

 

 

i~i Li-i

 

 

где

ajjCj° — определяется

системой уравнений (4.11).

 

Общее уравнение состояния системы при ИК прогнозировании

с учетом выражения (4.10),

а также того, что

д'| — Х\ ср — М [Х|/|],

будет

иметь вид

 

 

 

 

 

 

 

-

N

( N

 

 

(4.17)

 

x = z ' £ 3 . £

м \x\4.,(t-)} COSK/Xj0) х/5

 

 

ы

и-i

 

j

 

Основную трудность в использовании для прогнозирования состояния системы инфракрасной модели (4.17) является учет взаимосвязи состояний элементов микросхемы, так как ИК излу­ чение несет информацию не только о состоянии элементов, но и теплораспределении по поверхности интегральной схемы. Ввиду малой связи между теплораспределением за счет теплового балан­ са в схеме и тепловым излучением элементов;'характеризующим

58

Смотрите также файлы