Вопрос: «Кто же в соревновании человека и машины одержит окончательную победу?», — все еще остается без ответа. Вместе с тем, — оборудование и автоматизация продолжают развиваться, и перенимают все больше функций, которые раньше выполнялись людьми.
Отличным примером служит современный автомобиль, снабженный множеством механических и электронных помощников — от усилителя рулевого управления и климат-контроля до парковочного ассистента. В ближайшем будущем мы увидим автомобили, управляемые не водителем, а автоматическими системами.
Торстен Ротер (Thorsten Rother)— Technolgy Expert YXLON International,
Кейт Брайнт (Keith Bryant) — Global Director, Electronics Sales YXLON International.
Соревнование человека и машины
Знаменитый английский физик-теоретик, профессор Стивен Хокинг, работавший в Центре теоретической космологии Кембриджского университета, предсказывал будущее, в котором машины и искусственный интеллект заменит человека: «Он (искусственный интеллект) будет копировать сам себя, и будет переделывать себя все быстрее и быстрее. Человек ограничен медленной биологической эволюцией, поэтому не может конкурировать и будет заменен».
Базовый принцип ламинографии.
Элементы, располагающиеся в плоскости фокусировки, всегда проецируются в одну и ту же позицию на детекторе.
Элементы вне этой плоскости размыты.
Время от времени разворачиваются споры относительно роли человека в сравнении с машиной применительно к рентгеновскому контролю. В рамках такой дискуссии обсуждается вопрос, какой контроль электронных изделий, таких как печатные платы, лучше — с участием человека или без него? В частности, сравниваются достоинства полностью автоматизированных встраиваемых в технологическую линию систем рентгеновского контроля в 2D- и 3D-исполнении с автономными системами 2D-контроля. Встраиваемые в линию системы рентгеновского контроля могут функционировать без вмешательства человека, в то время как в работу автономных систем человек, принимающий решения, входит как неотъемлемая часть процесса контроля, что еще больше усиливает накал дебатов о противостоянии машины и человека.
Некоторые люди полагают, что для контроля таких электронных изделий человеко-машинный интерфейс не нужен, в то время как другие уверены, что он помогает отделять бракованные электронные узлы от годных. Существо спора заключается в ответе на вопрос, может ли полностью автоматизированная система контроля быть достаточно корректной и точной в работе, чтобы не пропускать на выход бракованные узлы и не помечать годные модули в качестве бракованных. И, с другой стороны, предоставит ли автономная система контроля, вовлекая в работу оператора и используя графический пользовательский интерфейс, повышенный уровень гибкости, эффективности и принятия верных решений.
В общем случае автономных систем рентгеновского 2D-контроля
рентгеновское излучение проходит через образец и принимается детектором с возможным увеличением изображения.
Встраиваемые в линию 2D- и 3D-системы послойной компьютерной томографии (ламинографии) уже много лет используются для контроля печатных плат, в то время как автономные 2D-системы рентгеновского контроля также в течение некоторого времени применяются для инспекции электроники. Например, системы рентгеновского контроля Fein Focus от компании YXLON International GmbH работают начиная с 1970-х гг. при неуклонном развитии технологии инспекции.
В целом, системы рентгеновского контроля предлагаются во встраиваемом в линию и автономном исполнении, причем эти два подхода существенно различаются. Встраиваемые в линию системы обеспечивают высокую производительность с высокой повторяемостью, не требуя вмешательства человека, хотя для достижения оптимальных результатов такие системы нуждаются в правильном программировании и тонкой настройке. Кроме того, производственная линия в случае поломки системы рентгеновского контроля может полностью остановиться.
Автономным системам 2D-контроля во многих случаях для принятия принципиальных решений требуется оператор. Чтобы полностью проверить изделие на наличие возможных дефектов, такие системы обладают функциями увеличения изображения и просмотра под различными углами. Однако, скорость автономных систем 2D-контроля ограничена, и они недостаточно быстры для проведения 100% контроля в задачах, выходящих за рамки выпуска небольших партий продукции.
Автономная система рентгеновского контроля, использованная для выполнения изображения под углом (снимок слева)
и приближенный вид (снимок справа), где дефект разрыва цепи виден человеку-оператору.
Преимущество таких систем заключается в возможности исследовать места потенциального наличия дефектов.
Компьютерная ламинография
Компьютерная ламинография (послойное рентгенологическое исследование) изначально предназначалось для получения изображений в медицине с использованием технологии рентгеновского контроля. Пациент подвергается исследованию при помощи перемещения источника рентгеновского излучения в областях представляющих интерес органов и пропускания через пациента рентгеновского излучения с фиксацией результатов на рентгеночувствительной пленке. Четкое изображение представляющих интерес органов пациента выполняется на пленке в пределах плоскости фокусировки. Во время сканирования могут выполняться изображения и других органов, но в случае их расположения за пределами плоскости фокусировки они будут расплывчатыми. Когда этот метод применяется к контролю печатных плат, то за одно сканирование можно получить изображение только одного слоя платы.
В современных системах цифровой ламинографии рентгеночувствительная пленка заменена плоскопанельным детектором, захватывающим множество изображений в процессе перемещения источника рентгеновского излучения. Благодаря компьютерной обработке четкие изображения в пределах плоскости фокусировки и размытые изображения за ее пределами накладываются друг на друга, формируя томограмму, подобно применению классического метода на основе использования пленки.
Однако, применяя перед наложением различных изображений соответствующее запрограммированное смещение, можно получить четкие изображения нескольких различных слоев печатной платы и создать полное 3D-изображение инспектируемого объекта — даже многослойной печатной платы. Такой метод реконструкции известен под названием томографической реконструкции или томосинтеза.
Методы реконструкции
Томосинтез представляет собой простой и быстрый метод реконструкции для ламинографических компьютерных систем контроля, однако он не лишен недостатков. Так как он имитирует классические ламинографические методы смазывания границ, то аналогичным образом страдает от артефактов размытия, свойственных таким подходам. Так как увеличение инспектируемых элементов не может изменяться в процессе захвата их изображений, это накладывает ограничения на геометрию скана. Качество изображений, полученных от ламинографических компьютерных систем контроля, можно улучшить, используя, с некоторыми ограничениями, методы фильтрации, сходные с применяющимися при томографической реконструкции методами фильтрованных обратных проекций. Кроме того, такая фильтрация позволяет эффективно использовать томосинтез для высококонтрастной инспекции электронных изделий, такой как рентгеновский контроль печатных плат.
Другим способом реконструкции, улучшающим качество рентгеновских изображений, является использование алгебраических методов. Их применение не только улучшает качество изображения, но и в целом освобождает от геометрических ограничений в процессе сбора данных рентгеновского контроля. В противоположность системам томосинтеза, которые просто совмещают проекции, использующие алгебраические методы реконструкции рентгеновские системы модулируют полный физический процесс рентгеновской проекции при помощи системы линейных уравнений. Пространство инспектируемого объекта представляется небольшими объемными элементами кубической формы, т.н. вокселями (слово образовано от английских слов «volume» — объем и «pixel» — пиксель), каждый из которых воплощает собой ослабление рентгеновского излучения в исследуемом объекте в соответствующей позиции рентгеновского источника. Каждый рентгеновский путь от источника через объект на пиксель детектора представляется с помощью уравнения. Суммарное ослабление рентгеновских лучей, проходящих через инспектируемый объект, известно по изображению на детекторе. Тонкость данного метода заключается в определении отдельных ослаблений излучения в каждом вокселе, через который оно проходит. Процесс такой реконструкции по существу представляет собой обращение матрицы. Истинные методы обращения требуют длительного времени для вычисления результата, так как в него вовлечено огромное число переменных — порядка 109.
Ускорить процесс реконструкции можно, задействуя алгоритм реконструкции для графических процессоров. Их мощная параллельная архитектура идеально подходит для решения сравнительно простых задач, требующих интенсивной обработки данных — таких, как трассировка лучей и расчеты обратных проекций. С использованием графических процессоров время реконструкции составляет порядка минут, что дает возможность практического применения алгебраических методов реконструкции для контроля изделий электроники. Сравнивая томографическую реконструкцию с применением методов обратной проекции и алгебраических методов на основе одних и тех же данных проекции, вторые дают существенно улучшенное качество изображения при инспекции паяных соединений электронных компонентов. В целом, данные встраиваемые в линию системы контроля сложны, требуют развитого программирования и больших компьютерных мощностей по обработке данных, в противоположность автономным системам 2D-контроля и подходам, в большой степени ориентированным на действия оператора и зависящим от вовлечения человека в работу.
Автономный рентгеновский контроль
Принципы работы систем рентгеновского 2D-контроля сходны с таковыми у встраиваемых в линию 3D-систем, где источник испускает рентгеновское излучение, которое проходит через инспектируемый образец, при этом часть излучения поглощается образцом, а часть — достигает приемника или детектора. Чем выше атомный номер подвергающегося инспекции материала, тем выше поглощение. В результате, когда интенсивность радиоактивного излучения преобразуется в изображение с градациями серого цвета, оператор может выполнить интерпретацию изображения на мониторе системы инспекции. В целях более подробной инспекции печатной платы или сборки образец, рентгеновский источник и/или детектор рентгеновского излучения могут поворачиваться, а образец — приближаться к рентгеновской трубке для увеличения изображения. Это дает оператору возможность рассмотреть потенциальный дефект более детально, чем во встраиваемых в линию системах.
Автономные системы рентгеновского 2D-контроля обладают значительными возможностями по автоматизации, призванными помочь оператору и избавить его от необходимости проведения таких измерений, как распознавание отсутствия перемычек и шариков. Однако такие системы сосредотачивают свои усилия на создании высококачественного изображения, чтобы предоставить человеку-оператору максимальные обоснования для принятия решения по возможному дефекту инспектируемой печатной платы или сборки. Множество высокоэффективных систем рентгеновского 2D-контроля могут отображать элементы с размерами менее 1 микрона, что значительно превосходит разрешающую способность типовых встраиваемых в линию систем. Такие 2D-системы также демонстрируют большое увеличение, чего нет во встраиваемых в линию системах рентгеновского контроля с их фиксированными уровнями увеличения. Системы контроля в линии обычно ориентированы на более низкое разрешение в пользу увеличения поля обзора, что ускоряет проведение контроля по сравнению с автономными системами.
Резюмируя, можно отметить, что встраиваемые в линию системы контроля зависят от наличия опытных программистов, призванных разработать эффективное программное обеспечение в поддержку систем, которые должны определять годность/дефектность инспектируемых плат или сборок на основе развитых алгоритмов. Эти системы, как правило, работают на основе анализа измерений, выполненных при разумно низком увеличении, с получением информации из всего лишь нескольких срезов инспектируемой платы или сборки. Подход, реализованный в автономных системах, опирается на вывод дефектов плат на экран монитора и способность оператора решить, что приемлемо, а что является дефектом, и использует виды с увеличением, виды под углом, алгоритмы измерений, фильтры, выравнивание контрастности и прочие методы. Все доступные инструменты дают инспектору возможность принять обоснованное решение, является ли исследуемая область платы годной, или же она содержит дефекты. Автономный подход к контролю может дать бо?льшую гибкость по сравнению с встраиванием в линию в части поиска дефектов плат, особенно в случаях, когда пропущенный дефект может иметь катастрофические последствия — например, если инспектируемый объект является частью электронной сборки антиблокировочной системы тормозов автомобиля.
Заключение
Установки рентгеновского контроля Y.Cougar и Y.Cheetah объединяют в себе лучшие достижения компании YXLON — одного из лидеров отрасли — и являются инструментом, позволяющим перейти на новый качественный уровень неразрушающего контроля изделий электронной промышленности. Представленных характеристики и опции постоянно совершенствуются и дополняются для наилучшего соответствия сегодняшним и будущим потребностям предприятий.