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

Г Л А В А 2

ОБЗОР МЕТОДОВ ИНФРАКРАСНОЙ ДИАГНОСТИКИ

В Советском Союзе и за рубежом широко ведутся исследова­ ния возможности применения инфракрасного контроля электрон­ ных схем и их компонентов в следующих областях:

— анализ теплового режима электронных схем; -• контроль изменения параметров цепей;

—контроль качества элементов;

—автоматизация процессов контроля и поиска неисправнос­

тей.

§ 2.1. АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

Температура элемента является одним из факторов, опреде­ ляющих его долговечность в рабочем режиме. Интенсивность ИК радиации, излучаемой элементом, определяется этой темпера­ турой. В настоящее время для анализа теплового режима элект­ ронных схем применяются термопары, недостатком которых яв­ ляется наличие теплового контакта между термопарой и объектом. ИК метод контроля свободен от этого недостатка. Решение проб­

ширить применение ИК метода на электронные схемы с объем­ ной компоновкой и повысит точность измерения температуры.

Так, например, в процессе испытаний [30] было измерено ИК излучение группы примерно идентичных мощных германиевых транзисторов, и в результате они были разделены на три катего­ рии в зависимости от интенсивности излучения: высокую, сред­ нюю, низкую. Для каждой группы было проведено испытание на

срок службы. После 100 часов работы установлено, что 58% тран­ зисторов, имеющих^ысокую мощность излучения (соответствен­ но высокую^ДбВчую температуру), отказали, в то время как для триодов' со-*р№ГГ'-?ро вием мощности имело место 20% отказов,

18

для транзисторов с низким уровнем 10% отказов. Результаты ис­ пытаний представлены на рис. 2.1-

Рис. 2.1. Зависимость отказов транзисторов от температуры их поверхности.

Примером изменения уровня надежности резисторов в зави­ симости от температуры их поверхности может служить график, приведенный на рис. 2.2. По рис. 2.1 и 2.2 можно судить об уве­ личении опасности отказов элементов с увеличением температуры.

Для анализа теплового режима схем микроэлектроники приме­ нение такого метода является зачастую единственно возможным. Примером может служить применение такого метода фирмой «Рэйтеон» '[29]. Когда интегральная схема на выходе производст­ венной линии проверялась по электрическим параметрам, она бы­ ла признана годной. При проверке же ее теплового рельефа ока­ залось, что один из резисторов имеет слишком высокую темпераТУРУ> указывающую на плохое соединение резисторов с материа­ лом подложки. Данная схема имела скрытый дефект, который мог бы привести в скором времени к выходу ее из строя. На осно­

вании результатов инфракрасного контроля схема была забрако­ вана.

Так как отказы интегральных схем в большинстве своем так пли иначе связаны с тепловыми режимами, разработчики часто устанавливают очень низкие пределы для допустимой рассеивае­ мой мощности-

, Выход U5 строя

но.

too

so.

30.

60

30 Si

зв

го

to

Рис. 2.2. Зависимость отказов резисторов от температуры пч поверхности.

Используя инфракрасные методы для оценки допустимого ко­ личества тепла, которое может рассеиваться в рассматриваемом участке схемы при определенном расположении компонентов, раз­ работчик может установить более реальные пределы для рассеи­ ваемой мощности.

§ 2.2. КОНТРОЛЬ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Носителем информации о состоянии цепи в этом случае явля­ ется тепловое поле схемы, ее инфракрасный профиль. Вид про­ филя и значения ординаты в отдельных точках определяются электрическими режимами элементов и их конструктивными осо­ бенностями (крепление к плате, заливка и т. д.).

Изменение электрического режима в схеме, обусловленного отклонением параметра какого-либо элемента от «нормального» значения, приводит к изменению профиля. Это позволяет выявить наличие дефектного элемента в схеме.

Графики (рис. 2.3), полученные при измерении интенсивности инфракрасного излучения, в зависимости от величины электричес­ кой мощности, рассеиваемой на данном элементе, позволяют сде­ лать окончательный вывод об уровне мощности, рассеиваемой на элементах исследуемой схемы.

20

Изменения в реальных цепях могут быть обусловлены произ­ водственными факторами, а также объективными ошибками рас­ чета, не учитывающего паразитные реактивные и активные состав­ ляющие.

Рис. 2.3. Зависимость уровня инфракрасного излучения от величины рассеиваемой электрической мощности для резисторов.

Примером применимости инфракрасного метода контроля для измерения дефектов, связанных с изменением параметров цепей, может служить методика поиска неисправностей, осуществляемая

21

с помощью прибора «Компер», разработанного фирмой «Рейтеон» [29]. «Компер» — консоль для оптических измерений и прецизион­ ного анализа излучения элементов электронных схем — осуществ­ ляет линейное сканирование схем. На выходном устройстве с циф­ ровым отсчетом индицируется диаграмма, соответствующая опре­ деленному дефекту. В приборе, сконструированном по принципу радиометра, измеряется температура отдельных компонентов схе­ мы, запоминаются результаты измерений и осуществляется сравне­ ние их с данными, заложенными предварительно в запоминающее устройство. Испытания, диагностика дефектов и регулярные про­ филактические работы тем самым сводятся к функциям, выпол­ няемым электронным измерительным прибором: сравнению и идентификации.

В установке используется принцип: каждому режиму работы схемы соответствует своя определенная диаграмма излученияТа­ ким образом, для правильно функционирующей схемы можно оп­ ределить эталонный профиль. Соответствующие диаграммы излу­ чения можно также определить для каждого типа дефектов или неправильных режимов работы. Любой режим работы схемы, нор­ мальный или ненормальный, может быть определен в результате сравнения диаграммы излучения с эталонной, а в случае несовпа­ дения сравниваемых диаграмм — с диаграммами, соответствую­ щими различным дефектам схемы.

Помимо анализа дефектов, которые могут быть выявлены с помощью обычной измерительной аппаратуры, «Компер» может выявить дефекты, которые нельзя обнаружить другими метода­ ми, но которые иногда становятся причиной отказов. К таким де­ фектам относится наличие компонентов с аномальной мощностью рассеивания: резисторов, величина которых отклоняется от но­ минальных значений, электролитических конденсаторов с обратной полярностью и несогласованных элементов. Поскольку диаграммы инфракрасного излучения схемы можно периодически сравнивать с эталонной диаграммой, возможно выявление тех компонентов, ко­ торые имеют тенденции к отказу или к изменению параметров. Если ухудшение параметров значительно и сравнение диаграмм выявляет сходство с аналогичным потенциальным отказом в ра­ боте схемы, то схему следует заменить.

«Компер» первоначально предназначался для анализа повреж­ дений в печатных схемах, которые были забракованы при элект­ рических испытаниях. Неожиданным оказался тот факт, что при­ бор можно непосредственно использовать для выявления дефектов схем. Система состоит из трех основных блоков: сканирующего ра­ диометра, электронного блока обработки данных и поворотного стола с непрерывной подачей исследуемых узлов.

Печатные узлы устанавливаются на столе с 16 позициями. На каждой позиции имеется разъем. Управление напряжениями, под­ водимыми к каждому контакту разъема в зависимости от типа исследуемого узла, осуществляется с помощью коммутационной

22

матрицы с программным управлением. Для подачи платы от места загрузки поворотного стола до позиции, па которой узел сканиру­

платы фокальной точкой радиометра производится с помощью оп­ тической системы, состоящей из набора зеркал. С помощью этой же системы осуществляется сканирование последовательно по длине платы после завершения каждого цикла развертки.

Расстояние между линиями развертки равно 1 мм, что соот­ ветствует диаметру чувствительной площадки детектора. Скани­ рование осуществляется со скоростью 4 линин/с. При сканирова­ нии радиометром схемы, к которой подведено питание, произво­ дится измерение температуры с точностью 0,05°С; выходной сиг­ нал формируется в виде растрового изображения. Изображение представляет собой распределение температур по поверхности схемы. Полное время сканирования — 100 с, из которых 45 с тра­ тится на полезный ход развертки и 55 с — на обратный ход.

Устройство обработки данных содержит запоминающее уст­ ройство (ЗУ) на магнитных сердечниках и вспомогательные схе­ мы, перфоратор, устройство считывания с перфоленты, которое считает программу с ЗУ для каждой конкретной схемы, и пульт управления.

На рис. 2.4 представлена схема объекта измерения, а на рис. 2.5 '— типичная профилограмма, полученная за одну линию раз­ вертки по всем 97 элементам разрешения за полный цикл скани­ рования схемыОбычно получается 180 таких профилограмм. Утолщённые линии обозначают уровни в 4-х выбранных точках на профилограмме, величины этих уровней вводятся в ЗУ, устрой­ ства обработки данных, а левый и правый уровень, являющиеся опорными, служат для градуировки профилограмм.

Принципиальная схема объекта — схема цифровой синхрони­ зации. Она была забракована при электрических испытаниях. При анализе было установлено, что в транзисторе Q2 имеется обрыв цепи в области база—эмиттер. Данные, полученные при сканиро­ вании схемы, выявили аномальные значения температуры на тран­ зисторах Q2, Qg и резисторах R]8; R26. Большие отклонения от нормального значения явились результатом обрыва в транзисто­ ре Q2. Этот транзистор управляет транзистором Qi, через который подается импульс на триггер Ъ\. Когда Q2 открывался, триггер не переключался в требуемое состояние и транзисторы Q9, Q4 запира­ лись. Этот процесс нашел отражение в аномальных уровнях теп­ лового поля для транзистора Q9, резистора R26 и резистора R[8 в

23