СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБРЫВОВ И КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ МОНТАЖЕ Российский патент 1994 года по МПК G01R31/02 

Изобретение относится к автоматическому контролю и может быть использовано в устройствах контроля монтажа и системах поэлементного диагностирования (внутрисхемного контроля) печатных узлов для обнаружения дефектов видов "обрыв" и "короткое замыкание" (КЗ) электрических цепей.

Известен способ контроля электрического монтажа печатных плат, основанный на нейтрализации дефектов вида "обрыв" путем объединения одноименных контактов двух однотипных изделий при проверке наличия КЗ с последующей проверкой целостности электрических цепей [1].

Недостатком указанного способа является сложность аппаратуры, необходимой для его осуществления, обусловленная включением в ее состав двух сменных адаптеров с контактными штифтами (вместо одного) и сложного логического блока, с числом входов вдвое превышающим число контрольных точек проверяемой печатной платы (ПП), а также необходимость использования эталонной ПП. Другой недостаток заключается в низкой достоверности контроля, поскольку известный способ не устраняет эффекта "маскировки" одних дефектов монтажа другими, когда некоторые дефекты ПП не могут быть обнаружены при наличии в ней других дефектов. В результате печатная плата после устранения обнаруженных дефектов должна вновь поступать на проверку, что приводит к снижению производительности контроля, так как для обнаружения l дефектов ПП может потребоваться l+1 циклов контроля.

Наиболее близким к предлагаемому является способ обнаружения обрывов и коротких замыканий в электрическом монтаже, заключающийся в том, что в каждую из предварительных пронумерованных по порядку точек монтажа последовательно в порядке возрастания номеров подают тестовое напряжение и измеряют напряжения во всех точках до ближайшей по номеру точки цепи, которой принадлежит точка, в которую подано напряжение, а при подаче тестового напряжения на изолированные точки и точки, являющиеся конечными в цепи, измеряю напряжения до последней по номеру точки монтажа [2].

Недостатком известного способа также являются низкая достоверность контроля, обуславливаемая эффектом "маскировки" одних дефектов монтажа другими, и низкая производительность, вызываемая необходимостью осуществления нескольких циклов тестирования и устранения обнаруженных дефектов ПП с целью выявления всех КЗ и обрывов ее электрических цепей.

Цель изобретения - повышение достоверности и производительности контроля.

Это достигается тем, что поиск обрывов и КЗ осуществляется путем выполнения операции самообучения системы контроля (СК) по контролируемой ПП (или по контролируемому печатному узлу - ПП с установленными на ней электрорадиоэлементами), и операции сравнения полученных перечней электрически связанных между собой контрольных точек (КТ) объекта контроля с перечнями КТ, входящих в состав электрических цепей эталонной (исправной) ПП.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенный способ отличается тем, что операция контроля целостности электрических цепей и наличия ложных соединений заменена в нем на операции самообучения СК по объекту контроля и сравнения перечней КТ, входящих в состав электрических цепей эталонной и контролируемой ПП.

Под операцией самообучения СК понимается автоматическая идентификация системой электрически связанных между собой контрольных точек ПП путем последовательной подачи напряжения в очередную КТ, измерения напряжения в остальных точках ПП и сравнения результатов измерения с заданными. Аналогично самообучение СК по контролируемому печатному узлу (ПУ) осуществляется путем измерения системой величин сопротивлений между КТ ПУ и формирования перечней точек, величина сопротивления между которыми не превышает заданного порогового значения, называемого критерием разобщенности.

Принципиальное отличие операции самообучения от операции контроля заключается в следующем. Любая операция контроля правильности монтажа включает проверку целостности электрических цепей, задаваемых совокупностями электрически связанных в эталонном ПУ контрольных точек, и проверку наличия ложных соединений между КТ, представляющими электрически разобщенные в эталонном ПУ цепи. При этом конфигурация электрических цепей считается известной и точки приложения тестовых воздействий и съема откликов задаются априорно, а сам контроль осуществляется по жестко заданной программе, в которой невозможно учесть все возможные изменения конфигурации электрических цепей, вызываемые нарушением их целостности и наличием ложных соединений. В связи с этим при любом способе контроля монтажа легко обнаруживаются одиночные неисправности, но наличие двух и более дефектов может приводить к такому изменению конфигурации электрических цепей, при котором одни дефекты монтажа могут маскироваться другими. Например, при способе-аналоге не может быть выявлено двойное нарушение целостности не разветвленной электрической цепи, поскольку напряжение задается в одной концевой точке цепи и оно будет отсутствовать как в точках, которые отделены от точки подачи тестового воздействия одним обрывом, так и в точках, отделенных от точки подачи тестового воздействия двумя обрывами, т.е. второй обрыв электрической цепи "маскируется" первым обрывом.

Лишь нейтрализация дефектов вида "обрыв" путем использования физического эталона позволяет этому способу избежать эффекта маскировки дефектов вида КЗ дефектами вида "обрыв", присущими способу-прототипу. Речь идет о случаях, когда между электрическими цепями контролируемого ПУ имеется КЗ, но короткозамкнутая КТ одной из цепей оборвана от точки приложения к этой цепи тестового воздействия (точки, представляющей данную электрическую цепь на этапе проверки наличия в объекте контроля ложных соединений).

Исходными данными для самообучения является лишь перечень КТ и алгоритм самообучения. Какая-либо жестко задающая конкретные точки приложения тестовых воздействий и съема откликов программа при этом отсутствует. В ходе самообучения проверяется лишь наличие либо отсутствие электрической связи между каждой парой КТ и формируются списки электрически связанных КТ контролируемого ПУ. Очевидно, что явление "маркирования" дефектов в данном случае отсутствует, поскольку отсутствуют сами по себе проверки целостности каких-либо эталонных цепей, либо наличие между ними ложных соединений, а осуществляется лишь поиск всех электрически связанных между собой точек ("электронная фотография" электрического монтажа). При этом появляется возможность дальнейшего сравнения перечней точек, образующих электрические цепи эталонного и контролируемого ПУ, позволяющего путем логической обработки обнаруженных несоответствий в этих перечнях идентифицировать дефекты видов "обрыв" и короткое замыкание электрических цепей объекта контроля.

Таким образом, сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предложенный способ соответствует критерию "новизна",
Сравнение заявляемого способа с известными решениями показывает, что хотя использование операции самообучения СК известно, однако она находит применение только при изучении эталонных печатных плат (или печатных узлов) в целях автоматического формирования программ контроля монтажа, но не используется для изучения контролируемых ПП с целью обнаружения КЗ и обрывов электрических цепей. Это обуславливается большим количеством измерений S, требуемых для самообучения СК, в процессе которого необходимо проверить наличие (отсутствие) электрической связи между каждой парой КТ. Для ПУ с числом N контрольных точек N = 1024, значение S определится из формулы
S=N(N-1)/2 ≈ N²/2 = 5·10⁵
Если при осуществляемой единожды операции автоматической подготовки тестовых программ такие потери времени некритичны (поскольку они оказываются значительно меньше потерь времени, необходимых для подготовки тестовых программ вручную), то при проверке монтажа серийно выпускаемых ПУ они недопустимы.

Отличительной особенностью предлагаемого способа самообучения СК по контролируемому ПУ от известных способов самообучения СК по эталонному ПУ, является резкое повышение производительности, достигаемое за счет использования имеющейся априорной информации о структуре электрических цепей (перечнях, входящих в их состав КТ) эталонного ПУ. Наличие указанной информации позволяет осуществлять самообучение СК в два этапа. При этом на первом этапе самообучения СК осуществляется отдельно по каждому из множеств КТ, входящих в состав каждой эталонной цепи. В результате наличие в контролируемой цепи l обрывов приводит к формированию в режиме самообучения СК по соответствующему эталонной цепи множеству точек l+1 перечня точек, представляющих l+1 электрическую цепь контролируемого ПУ, каждая из которых является соответствующим отрезком эталонной цепи. При наличии в объекте контроля N = 1024 КТ и L = 256 электрических цепей, имеющих l = 10 обрывов, количество измерений, необходимых для самообучения СК по L эталонным множествам КТ составит
S1m

Здесь отсутствует квадратичная зависимость S_max¹ от N, поскольку на данном этапе самообучения проводится по множествам КТ, каждое из которых принадлежит одной эталонной цепи, а обнаружение электрической связи между одной и несколькими другими КТ уже не требует проверки наличия связи этих других КТ между собой. Лишь при обнаружении отсутствия связи между одной и несколькими другими точками возникает необходимость дополнительной проверки наличия связей между этими другими точками, отображаемое слагаемым l(N/L - 1).

На втором этапе самообучения в соответствии с предлагаемым способом осуществляется проверка наличия электрических связей между L + l группами электрически связанных между собой КТ контролируемого ПУ, выявленных на первом этапе самообучения. Максимальное количество S_max²измерений на этом этапе при наличии в контролируемом ПУ m = 10 замыканий составит для рассматриваемого примера
S_max² = (L + l) + m(m - 1)/2 = 321
Отсутствие квадратичной зависимости S_max² от L + l объясняется достаточностью групповой проверки одного множества точек относительно всех остальных множеств (при этом каждое множество выявленных на первом этапе электрически связанных точек представляется на втором этапе одной любой точки). И только m точек, показавших при групповой проверке наличие электрической связи с другими точками, проверяются затем на наличие связи между ними по принципу "каждая точка с каждой", что обуславливает квадратичную зависимость S_max² от m.

Общее число измерений, необходимых для самообучения СК по контролируемому ПУ в соответствии с предлагаемым способом, составит
S1m

На фиг. 1, а и б изображены соответственно фрагменты эталонного и контролируемого печатных узлов; на фиг. 1,в и г представлены соответственно перечни Э1. ..Э4, П1...П5 и К1...К4 контрольных точек, используемых и формируемых в процессе самообучения системы контроля по контролируемому печатному узлу, а также сообщение об обнаруженных дефектах; на фиг. 2 - структурная схема системы поэлементного диагностирования (внутрисхемного контроля) печатных узлов.

Фрагмент эталонного печатного узла (см. фиг. 1,а) содержит контрольные точки 2...14, входящие в состав электрических цепей 15...18.

Фрагмент контролируемого печатного узла (см. фиг. 1,б) включает ошибки монтажа, представляемые перемычкой 20 припоя (короткое замыкание электрических цепей 16 и 17) и микротрещиной 21 (обрыв цепи 16).

Перечни Э1...Э4 контрольных точек включают номера электрически связанных точек эталонного печатного узла 1, представляющие его электрические цепи 15...18 соответственно.

Перечни П1. . . П6 контрольных точек включают номера контрольных точек контролируемого печатного узла 19, электрическая связь между которыми обнаружена на первом этапе самообучения системы контроля.

Перечни К1...К4 контрольных точек включают номера контрольных точек контролируемого печатного узла 19, электрические связи между которыми обнаружены по результатам первого и второго этапов самообучения системы контроля.

Система внутрисхемного контроля печатных узлов (см. фиг. 2) содержит контролируемый печатный узел 19, подключенный к входам игольчатого контактного устройства 22, выходы которого через коммутатор 23 соединяются с измерительными входами измерительного блока 24, а управляющие и информационные входы (выходы коммутатора 23 и измерительного блока 24 соединяются с соответствующими входами) выходами управляющей ЭВМ25.

Игольчатое контактное устройство 22 обеспечивает доступ к каждой контрольной точке 2. . .14 (монтажной площадке) контролируемого печатного узла 19 посредством игольчатых контактных штырей.

Коммутатор 23 служит для подключения контрольных точек 2...14 контролируемого печатного узла 19 к входам измерительного блока 24.

Измерительный блок 24 служит для измерения величин сопротивлений между подключенными к его входам контрольными точками 2...14 контролируемого печатного узла 19.

Управляющая ЭВМ 25 служит для выдачи управляющих воздействий на коммутатор 23 и измерительный блок 24 и для логической обработки полученных результатов измерений. В качестве управляющей ЭВМ 25 используется персональная ЭВМ любого типа, например ДВК 3М, ЕС1840 или IВМ РС АТ/ХТ.

Способ осуществляется следующим образом.

Контролируемый ПУ19 устанавливается на игольчатое контактное устройство 22. При этом к каждой контрольной точке 2...14 ПУ19 подключаются входы коммутатора 23. Затем под управлением ЭВМ 25 осуществляется последовательное подключение коммутатором 23 требуемых контрольных точек 2...14 к входам блока измерительного 24, который измеряет величину сопротивления и передает результат измерения в ЭВМ 25, где он сравнивается со значением критерия разобщенности.

На первом этапе осуществляют самообучение системы контроля раздельно по каждому множеству КТ, входящих в состав каждой электрической цепи эталонного (исправного) ПУ1.

Для примера эти множества представляются перечнями точек Э1...Э4 (см. фиг. 1, в). В процессе операции самообучения СК последовательно измеряет сопротивления между точками 2-8, 2-9, 2-14 ПУ 19 и устанавливает наличие между ними электрической связи, формируя перечень точек П1 (см. фиг. 1,в). Затем измеряются сопротивления между точками 3-4, 3-5 и 3-6. СК устанавливает наличие связи между точками 3 и 4, формируя перечень П2. Поскольку связь между точкой 3 и точками 5 и 6 отсутствует. СК измеряет сопротивление между точками 5-6, устанавливает наличие связи между ними и формирует перечень точек ПЗ. Далее устанавливается наличие связи между точками 7-10 и 7-12 и формируется перечень точек П4, а затем - между точками 11-13 с формированием перечня точек П5.

На втором этапе самообучения СК в каждом из перечней П1...П5 выбирается по одной точке, например, с младшими номерами (на фиг. 1,в это точки 2, 3, 5, 7 и 11) и измеряется сопротивление между каждой одной и всеми остальными выбранными точками. В результате измерений для рассматриваемого примера будет установлено наличие электрической связи между точками 3 и 7, вследствие чего перечни П2 и П4, в которые входят указанные точки, будут объединены в один результирующий перечень точек К2 (см. фиг. 1,в). Поскольку точки 2, 5 и 11 оказываются электрически разобщены друг от друга и от точек 3 и 7, перечни П1, П3 и П5 без изменений будут представлены результирующими перечнями точек К1, К3 и К4 (см. фиг. 1,в) соответственно.

Идентификация коротких замыканий и обрывов в контролируемом ПУ 19 осуществляется теперь путем сравнения эталонных перечней контрольных точек Э1.. .Э4 с результирующими перечнями К1...К4.

Поскольку точки эталонного перечня Э2 распределяются между двумя результирующими перечнями К2 и К3 электрически связанных точек контролируемого ПУ 19, СК идентифицирует обрыв электрической цепи 16 между точками 3, 4 и 5, 6. Аналогично, поскольку точки результирующего перечня К2 распределены между двумя эталонными перечнями Э2 и Э3, СК идентифицирует наличие короткого замыкания между электрической цепью 17 и отрезком электрической цепи 16, включающей в свой состав точки 3 и 4 (см. фиг. 1,г).

Использование предлагаемого способа позволяет повысить достоверность контроля за счет обнаружения обеих ошибок монтажа за один проход программы самообучения по контролируемому ПУ19, тогда как способ-прототип обеспечил бы обнаружение только обрыва цепи 16 и лишь после устранения его при повторном контроле ПУ 19 удалось бы обнаружить КЗ между электрическими цепями 16 и 17.

Тестовая программа для ПУ 19 в соответствии со способом-прототипом имела бы следующий вид:
8 4 5 6 К 10 9 14 12 13 К К
При этом измерение сопротивлений между точками 3-4, 4-5, 4-6 и 6-7...14 позволит обнаружить отсутствие электрической связи между точками 4-5. Однако измерение сопротивлений между точками 6-7...14, 7-8...10 и т.д. не позволит обнаружить КЗ между цепями 16 и 17 в связи с проявлением эффекта "маскирования" дефекта вида "КЗ" дефектом вида "обрыв".

Предлагаемый способ является также более производительным по сравнению со способом-прототипом. Для проверки ПУ19 на наличие в нем обрывов и коротких замыканий в соответствии со способом-прототипом потребуется осуществить не менее S_min^п = LN/2 измерений, где L - число контролируемых проводников, N - число КТ в контролируемом ПУ 19. Для примера на фиг. 1,б число измерений при одном проходе тестовой программы составит 32 (превысив S_min^п = 4˙13/2 = 26), а в связи с наличием эффекта "маскирования" оно должно быть удвоено и составит 64.

Для предлагаемого способа максимальное число необходимых измерений составит при L = 4, l = 1, N = 13 и m = 1
SΣm

Для примера на фиг. 1,б необходимое число измерений в соответствии с предлагаемым способом составит 14 (S_max^Σ = 17), т.е. при реальном количестве дефектов в объекте контроля имеет место соотношение S_min^п > S_max^Σ .

Значения S_min^п и S_max^o для ряда различных значений N и L при l = n = 10 приведены в таблице
Таким образом, использование предлагаемого способа позволяет по сравнению со способом-прототипом значительно повысить производительность процедуры обнаружения обрывов и коротких замыканий, а также повысить достоверность контроля за счет исключения эффекта "маскирования" одних дефектов монтажа другими.

Использование: в области автоматического контроля, в системах контроля монтажа печатных плат и в системах поэлементного диагностирования (внутрисхемного контроля) собранных печатных узлов (ПУ). Сущность изобретения: повышение достоверности и производительности контроля достигается за счет использования для обнаружения коротких замыканий (КЗ) и обрывов в электрическом монтаже операции самообучения системы 1 контроля по контролируемому печатному узлу, обеспечивающей автоматическое формирование перечней электрически связанных контрольных точек (КТ) 2 ... 14 объекта контроля путем измерения сопротивления между КТ 2 ... 14 и сравнения полученного значения со значением критерия разобщенности, и операции сравнения полученных перечней К1 ... К4 с перечнями КТ, входящими в состав электрических цепей эталонного (исправного) ПУ 1. Введение операции самообучения для целей обнаружения ошибок монтажа повышает достоверность контроля за счет устранения эффекта маскирования одних дефектов монтажа другими. При этом высокая производительность режима самообучения достигается за счет использования априорной информации об эталонном ПУ 1, позволяющей реализовать самообучение СК раздельно по каждому множеству точек, входящих в состав электрических цепей эталонного ПУ 1. 2 ил., 1 табл.

1. СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБРЫВОВ И КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКОМ МОНТАЖЕ, заключающийся в определении наличия либо отсутствия электрических связей между контрольными точками печатного узла путем измерения величины сопротивления между этими точками и сравнения измеренной величины с заданным значением, отличающийся тем, что, с целью повышения достоверности и производительности контроля за счет исключения эффекта маскирования одних ошибок монтажа другими, выявление ошибок монтажа осуществляют, выполняя операцию самообучения системы контроля по котролируемому печатному узлу, для чего после измерения величины сопротивлений между его контрольными точками на основании сравнения полученных результатов измерений с заданным значением формируют перечни электрически соединенных контрольных точек контролируемого печатного узла, а идентификацию ошибок монтажа осуществляют, выполняя операцию сравнения сформированных перечней с перечнями электрически соединенных контрольных точек эталонного печатного узла, причем идентификацию l ошибок монтажа вида "обрыв электрической цепи" осуществляют при обнаружении вхождения точек, принадлежащих одному эталонному перечню, в l + 1 перечень точек контролируемого печатного узла, а идентификацию m ошибок монтажа вида "короткое замыкание" осуществляют при обнаружении вхождения точек, принадлежащих m + 1 эталонному перечню, в один перечень точек контролируемого печатного узла. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что операцию самообучения системы контроля выполняют отдельно по каждому множеству контрольных точек контролируемого печатного узла, электрически соединенных между собой в эталонном печатном узле, для чего на первом этапе самообучения выбирают точки из одного эталонного перечня, измеряют сопротивления между первой и остальными из выбранных точек, номера электрически соединенных точек заносят в один перечень точек контролируемого печатного узла, а из точек, электрически не соединенных с первой, формируют новый массив точек и повторяют описанную операцию до тех пор, пока в проверяемом массиве окажется не более одной точки, электрически не соединенной с первой, аналогичным образом последовательно осуществляют самообучение системы контроля по множествам точек, принадлежащих остальным эталонным перечням, после чего из каждого сформированного на первом этапе самообучения перечня точек контролируемого печатного узла выбирают по одной точке, измеряют величины сопротивлений между каждой парой из этих точек и, выявив электрически соединенные точки, объединяют между собой соответствующие им перечни точек контролируемого печатного узла, полученные на первом этапе самообучения.