Структурное обнаружение и различение вырывов проводящего рисунка печатных плат Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Григорьев Алексей Валерьевич, Юрков Николай Кондратьевич, Затылкин Александр Валентинович, Данилова Евгения Анатольевна, Држевецкий Алексей Львович

Актуальность и цели. Вырывы проводящего рисунка печатных плат и аналогичные им выступы являются скрытыми (латентными) дефектами печатных плат . Интерес технологов к такого рода дефектам определяется тем, что знание плотности и расположения таких дефектов (при условии различения их подклассов) позволяет выявить отклонения от заданных параметров технологического процесса на ранних стадиях их возникновения. Наиболее эффективными методами выявления латентных технологических дефектов фотошаблонов и печатных плат являются методы неразрушающего визуального (оптического) контроля. Целью данной работы является разработка методологических основ автоматического обнаружения и различения широких, длинных и средних вырывов проводящего рисунка печатных плат , аналогичных выступов такого рисунка, которые, по сути, являются такими же вырывами основы печатной платы . Материалы и методы. Известны две задачи контроля фотошаблонов и печатных плат : контроль правильности соединений и допусковый контроль. Контроль правильности соединений выявляет такие явные дефекты печатных плат , как обрыв и короткое замыкание печатных проводников. Допусковый контроль выявляет не только явные, но и скрытые (латентные) дефекты печатных плат . Задача допускового контроля фотошаблонов и печатных плат выявить фрагменты проводящего рисунка и основания печатной платы , в которых ширина печатных проводников меньше минимально допустимой, и в которых расстояние между печатными проводниками меньше минимально допустимого. Результаты. Разработаны методологические основы обнаружения и различения широких, средних и длинных вырывов проводящего рисунка печатной платы . На базе этих методологических основ разрабатываются алгоритмы и определяется место этих алгоритмов в автоматизированной системе визуального допускового контроля печатных плат . Выводы. Изложенные принципы положены в основу разрабатываемых алгоритмов выявления латентных дефектов печатных плат следующих видов: средний вырыв , длинный вырыв , широкий вырыв . Реализация этих алгоритмов не требует ни эталона, ни таблицы связности контактов слоя печатной платы . Все контролируемые параметры задаются в виде числовых констант. Система абсолютно инвариантна к масштабу, сдвигу и углу поворота контролируемой печатной платы .

STRUCTURAL DETECTION AND DISTINCTION OF TEAR-OUTS OF CONDUCTIVE PATTERNS OF CIRCUIT BOARDS

Background. Tear-outs of conductive patterns of circuit boards and ledges similar to them are the latent (latent) defects of printed-circuit boards. Interest of technologists to such defects is defined by that the knowledge of density and an arrangement of such defects, on condition of distinction of their subclasses, allows to reveal deviations from the set parameters of technological process at early stages of their emergence. The most effective methods of detection of latent technological defects of photo masks and printed-circuit boards are methods of nondestructive visual (optical) control. The purpose of this work is to develop methodological bases of automatic detection and distinction of wide, long and average tear-outs of conductive patterns of circuit boards and similar ledges of such patterns which, in fact, are the same tear-outs of the printed-circuit board base. Materials and methods. Two problems of control of photo masks and printed-circuit boards are known: control of correctness of connections and access control. Control of correctness of connections reveals such obvious defects of printed-circuit boards, as break and short circuit of printing conductors. Access control reveals not only obvious, but also the latent (latent) defects of printed-circuit boards. The problem of access control of photo masks and printed-circuit boards is to reveal fragments of conductive patterns and the basis of the printed-circuit board in which width of printing conductors is less minimum admissible and in which the distance between printing conductors is less than the minimum admissible. Results. Methodological bases of detection and distinction of wide, average and long tear-outs of conductive patterns of circuit boards are developed. On the basis of these methodological bases algorithms are developed and the place of these algorithms in the automated system of visual access control of printed-circuit boards is defined. Conclusions. The stated principles are based on the developed algorithms of detection of latent defects of printed-circuit boards of the following types: average tear-out , long tear-out , wide tear-out . Realization of these algorithms doesn't demand neither the standard, nor the table of connectivity of contacts of a layer of the printed-circuit board . All controlled parameters are set in the form of numerical constants. The system is absolutely invariant to the scale, shift and angle of rotation of the controlled printed-circuit board .

Текст научной работы на тему «Структурное обнаружение и различение вырывов проводящего рисунка печатных плат»

ЭЛЕКТРОНИКА, ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И РАДИОТЕХНИКА

А. В. Григорьев, Н. К. Юрков, А. В. Затылкин, Е. А. Данилова, А. Л. Држевецкий

СТРУКТУРНОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ И РАЗЛИЧЕНИЕ ВЫРЫВОВ ПРОВОДЯЩЕГО РИСУНКА ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ1

Аннотация. Актуальность и цели. Вырывы проводящего рисунка печатных плат и аналогичные им выступы являются скрытыми (латентными) дефектами печатных плат. Интерес технологов к такого рода дефектам определяется тем, что знание плотности и расположения таких дефектов (при условии различения их подклассов) позволяет выявить отклонения от заданных параметров технологического процесса на ранних стадиях их возникновения. Наиболее эффективными методами выявления латентных технологических дефектов фотошаблонов и печатных плат являются методы неразрушающего визуального (оптического) контроля. Целью данной работы является разработка методологических основ автоматического обнаружения и различения широких, длинных и средних вырывов проводящего рисунка печатных плат, аналогичных выступов такого рисунка, которые, по сути, являются такими же вырыва-ми основы печатной платы. Материалы и методы. Известны две задачи контроля фотошаблонов и печатных плат: контроль правильности соединений и допусковый контроль. Контроль правильности соединений выявляет такие явные дефекты печатных плат, как обрыв и короткое замыкание печатных проводников. Допусковый контроль выявляет не только явные, но и скрытые (латентные) дефекты печатных плат. Задача допускового контроля фотошаблонов и печатных плат - выявить фрагменты проводящего рисунка и основания печатной платы, в которых ширина печатных проводников меньше минимально допустимой, и в которых расстояние между печатными проводниками меньше минимально допустимого. Результаты. Разработаны методологические основы обнаружения и различения широких, средних и длинных вырывов проводящего рисунка печатной платы. На базе этих методологических основ разрабатываются алгоритмы и определяется место этих алгоритмов в автоматизированной системе визуального допускового контроля печатных плат. Выводы. Изложенные принципы положены в основу разрабатываемых алгоритмов выявления латентных дефектов печатных плат следующих видов: средний вырыв, длинный вырыв, широкий вырыв. Реализация этих алгоритмов не требует

1 Статья подготовлена в рамках реализации НИР «Создание методологических основ обнаружения и локализации латентных технологических дефектов бортовой радиоаппаратуры космических аппаратов методами неразрушающего контроля и диагностики на этапах производства» (ГК № 14.514.11.4078 от 10.03.2013) в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы».

ни эталона, ни таблицы связности контактов слоя печатной платы. Все контролируемые параметры задаются в виде числовых констант. Система абсолютно инвариантна к масштабу, сдвигу и углу поворота контролируемой печатной платы.

Ключевые слова: печатная плата, латентный дефект, оптический контроль, проводящий рисунок, диэлектрическая основа, выступ, вырыв, раковина, вращение, перемычка.

A. V. Grigor'ev, N. K. Yurkov, A. V. Zatylkin, E. A. Danilova, A. L. Drzhevetskiy

STRUCTURAL DETECTION AND DISTINCTION OF TEAR-OUTS OF CONDUCTIVE PATTERNS OF CIRCUIT BOARDS

Abstract. Background. Tear-outs of conductive patterns of circuit boards and ledges similar to them are the latent (latent) defects of printed-circuit boards. Interest of technologists to such defects is defined by that the knowledge of density and an arrangement of such defects, on condition of distinction of their subclasses, allows to reveal deviations from the set parameters of technological process at early stages of their emergence. The most effective methods of detection of latent technological defects of photo masks and printed-circuit boards are methods of nondestructive visual (optical) control. The purpose of this work is to develop methodological bases of automatic detection and distinction of wide, long and average tear-outs of conductive patterns of circuit boards and similar ledges of such patterns which, in fact, are the same tear-outs of the printed-circuit board base. Materials and methods. Two problems of control of photo masks and printed-circuit boards are known: control of correctness of connections and access control. Control of correctness of connections reveals such obvious defects of printed-circuit boards, as break and short circuit of printing conductors. Access control reveals not only obvious, but also the latent (latent) defects of printed-circuit boards. The problem of access control of photo masks and printed-circuit boards is to reveal fragments of conductive patterns and the basis of the printed-circuit board in which width of printing conductors is less minimum admissible and in which the distance between printing conductors is less than the minimum admissible. Results. Methodological bases of detection and distinction of wide, average and long tear-outs of conductive patterns of circuit boards are developed. On the basis of these methodological bases algorithms are developed and the place of these algorithms in the automated system of visual access control of print-ed-circuit boards is defined. Conclusions. The stated principles are based on the developed algorithms of detection of latent defects of printed-circuit boards of the following types: average tear-out, long tear-out, wide tear-out. Realization of these algorithms doesn't demand neither the standard, nor the table of connectivity of contacts of a layer of the printed-circuit board. All controlled parameters are set in the form of numerical constants. The system is absolutely invariant to the scale, shift and angle of rotation of the controlled printed-circuit board.

Key words: printed-circuit board, latent defect, optical control, conductive pattern, dielectric base, ledge, tear-out, cavity, rotation, link.

Отечественная радиоэлектронная промышленность, ориентированная на космическую отрасль, вынуждена конкурировать с зарубежными производителями, обеспечивая высокое качество изделий. При изготовлении радио-

аппаратуры (РЭА) невозможно избежать появления технологических дефектов, которые подразделяются на явные и скрытые (латентные).

Явные дефекты приводят к немедленному отказу изделия. Скрытые (латентные) дефекты к немедленному отказу не приводят, но снижают надежность и качество радиоэлектронных средств. Они могут привести к отказу РЭА на этапе ввода в эксплуатацию и, что еще хуже, в ходе эксплуатации аппаратуры.

Для эффективного выявления технологических дефектов необходимо проводить активный контроль и диагностирование РЭА на всех технологических этапах производства. Наиболее ответственными являются этапы изготовления печатной платы, печатных узлов и аппаратуры в целом.

Анализ выпуска отечественных печатных плат указывает на настоятельную необходимость повышения их надежности и качества за счет введения активного контроля технологических процессов изготовления. Следует отметить, что на 30-40 % качество РЭА определяется наличием дефектов печатных плат, причина возникновения которых кроется в несоблюдении технологических требований государственных стандартов и технических условий. Для печатных плат - это трещины в печатных проводниках, перемычки между печатными проводниками, отсутствие металлизации в переходных и контактных отверстиях и др. [1-4].

На этапе изготовления печатных плат к латентным дефектам относятся выступы и сужения, разрывы печатных проводников, вкрапления металлизации на поверхности диэлектрической основы печатной платы и раковины в печатных проводниках. Кроме того, латентными дефектами являются нарушения формы переходных, контактных и крепежных отверстий, смещения центров отверстий относительно их запланированных координат, а также дефекты металлизации отверстий.

Наиболее эффективными методами выявления латентных технологических дефектов фотошаблонов и печатных плат являются методы неразрушающего визуального (оптического) контроля [5, 6].

В ходе оптической инспекции изображения как фотошаблонов, так и печатных плат являются полутоновыми и, как правило, имеют большую неравномерность фона. Для снижения уровня ошибок при выявлении дефектов необходимо преобразование таких изображений в двухградационные. В работах [7-10] обоснованы и интенсивно совершенствуются принципы структурно-разностной сегментации и бинаризации полутоновых изображений. Эти принципы легли в основу предлагаемого метода оптического контроля латентных дефектов печатных плат.

Известны две задачи контроля фотошаблонов и печатных плат: контроль правильности соединений и допусковый контроль. Контроль правильности соединений выявляет такие явные дефекты печатных плат, как обрыв и короткое замыкание печатных проводников [11]. Допусковый контроль выявляет не только явные, но и скрытые (латентные) дефекты печатных плат. Общие принципы оптического допускового контроля фотошаблонов и печатных плат, применяемые в автоматизированных комплексах, изложены в работе [12]. Задача допускового контроля фотошаблонов и печатных плат - выявить фрагменты проводящего рисунка и основания печатной платы, в которых ширина печатных проводников меньше минимально допустимой, и в которых расстояние между печатными проводниками меньше минимально допустимого.

Классификация дефектов фотошаблонов и печатных плат

Классификация дефектов фотошаблонов и печатных плат, эффективная с точки зрения их автоматического обнаружения и распознавания, становится возможной, если рассматривать совместно два изображения: изображение проводника, т.е. поверхности печатных проводников и других электропроводных фрагментов, и изображение фона, т.е. поверхности основания печатной платы, не закрытой электропроводящим материалом.

Примем следующие определения. Область связанных элементов изображения с общими характеристическими признаками будем называть объектом. Область связанных элементов проводника будем называть сегментом проводника. Область связанных элементов фона будем называть сегментом фона.

Процесс формирования в сегментах областей, представляющих интерес в смысле поиска дефектов, будем называть индикаторной кластеризацией сегментов.

Введем понятие различительного сечения. Так будем называть отрезок прямой линии, длина которого служит пороговой константой при индикаторной кластеризации сегмента.

Область связанных элементов сегмента, через любую точку которой можно провести хотя бы одно прямолинейное сечение этого сегмента, длина которого будет меньше длины различительного сечения, будем называть индикаторным кластером (ИК).

Область связанных элементов сегмента, ни через одну из точек которой нельзя провести ни одного прямолинейного сечения этого сегмента, длина которого была бы меньше длины различительного сечения, будем называть стабильным кластером (СК).

Далее, если другое не будет оговорено специально, в качестве различительного сечения для сегментов проводника будем принимать минимально допустимую ширину печатного проводника dщ тт, а для сегментов фона -минимально допустимое расстояние между печатными проводниками dф тт.

Введем понятие границы объекта (кластера или сегмента). Объект, который граничит с другим объектом, будем называть граничащим. Объект, с которым граничит граничащий объект, будем называть основным.

Под границей объекта будем понимать область связанных элементов граничащего объекта, каждый из которых имеет в основном объекте хотя бы один соседний по хотя бы одному из восьми направлений элемент.

В основном объекте также формируется граница. В результате оба объекта могут рассматриваться как граничащие между собой.

Множество граничащих между собой ИК будем называть областью интереса. Если в области интереса будет обнаружен хотя бы один дефект, то такую область интереса будем называть дефектной областью. Область интереса может рассматриваться как единый объект, имеющий границы.

Границу ИК с индикаторным кластером другого сегмента будем называть смежностью этого ИК. ИК, имеющие смежности друг с другом, будем называть смежными по отношению друг к другу.

Примыканием ИК будем называть его границу с СК того же сегмента, которому принадлежит этот ИК. Граничащий по примыканию ИК будем называть примыкающим.

Введем понятие связности ИК. Связность ИК определяется количеством его примыканий.

ИК, не имеющий ни одного примыкания, будем называть несвязным. ИК, имеющий только одно примыкание, будем называть односвязным. ИК, имеющий более одного примыкания, будем называть многосвязным.

Многосвязный ИК - это безусловный дефект печатной платы. Такие дефекты будем называть многосвязными дефектами.

Несвязные и односвязные ИК являются условными дефектами.

Условия определения индикаторного кластера как дефекта

Для того чтобы индикаторный кластер определился как дефект, необходимо выполнение хотя бы одного из двух условий:

1) если этот ИК является причиной появления фрагментов, в пределах которых ширина печатного проводника, либо расстояние между печатными проводниками становится меньше минимально допустимого размера. Обнаружение таких дефектов осуществляется путем анализа смежности ИК: если односвязный или несвязный ИК имеет хотя бы один смежный многосвязный ИК, то он определяется как дефект. Возможны ситуации, когда односвязный ИК имеет смежный многосвязный ИК, но определение этого односвязного ИК, как дефекта, блокируется;

2) если площадь или периметр ИК превышает соответственно площадь или периметр квадрата со стороной dmm (проводника dmm= dnpmm либо фона

В работах [13, 14] предложены способы непосредственного определения площадей, периметров и координат центров тяжести объектов в процессе считывания и распознавания изображений. Согласно [13, 14] введем понятие характеристического прямоугольника объекта (под объектом понимается кластер или сегмент). Характеристическим прямоугольником объекта будем называть прямоугольник, ограничивающий область выполнения условия H1:

H1 = (x — xmin) ^ (x — xmax) ^ (У — ymin) ^ (У — ymax) , (1)

где x и y - абсцисса и ордината точки, соответственно; xmin и xmax - наименьшая и наибольшая абсцисса точки, принадлежащей объекту соответственно; ymin и ymax - наименьшая и наибольшая ордината точки, принадлежащей объекту соответственно.

Для формирования индикаторных кластеров применяется метод, основанный на том, что исходное изображение подвергают операциям сжатия и расфокусировки с последующим вычитанием полученного изображения из исходного. Операции дилатации и эрозии изображений объектов в процессе их считывания и распознавания осуществляются способом, предложенным в работе [15]. Для определения связности ИК производится их маркировка с последующим подсчетом количества примыканий в каждом ИК.

Анализ структурных определений среднего вырыва

Проанализируем структурные определения среднего вырыва (рис. 1).

Ни через одну из точек фрагментов фона 1 и 6 нельзя провести ни одного сечения сегмента фона, длина которого была бы меньше d$ mm. Поэтому фрагменты фона 1 и 6 определятся как СК фона.

Рис. 1. Структурные определения среднего вырыва

Ни через одну из точек фрагментов проводника 2 и 5 нельзя провести ни одного сечения сегмента проводника, длина которого была бы меньше йпр тт. Поэтому фрагменты проводника 2 и 5 определятся как СК проводника.

Через любую точку фрагмента проводника 3 можно провести хотя бы одно сечение сегмента проводника, длина которого будет меньше йпр тт. Поэтому фрагмент проводника 3 определится как ИК проводника.

Через любую точку фрагмента фона 4 можно провести хотя бы одно сечение сегмента фона, длина которого будет меньше йф тщ. Поэтому фрагмент фона 4 определится как ИК фона.

ИК проводника 3 имеет два примыкания: одно к СК проводника 2, другое - к СК проводника 5. Поэтому ИК проводника 3 определится как безусловный многосвязный дефект проводника. Безусловная дефектность этого фрагмента объясняется тем, что в его пределах ширина печатного проводника меньше минимально допустимого значения.

ИК фона 4 имеет одно примыкание: к СК фона 1. Поэтому ИК фона 4 определится как односвязный. Этот односвязный ИК фона имеет смежный многосвязный ИК: ИК проводника 3. Поэтому ИК фона 4 определится как односвязный дефект фона.

Строятся характеристические прямоугольники односвязных дефектов фона. Односвязный дефект фона определится как средний вырыв при выполнении условия Н2:

📎📎📎📎📎📎📎📎📎📎