Možnosti detekce padělků elektronických součástek

Proč se obávat padělků elektronických součástek

S padělanými výrobky se můžeme setkat na různých úrovních a v různých výrobkových komoditách. V oblasti elektroniky se setkáváme nejen s padělky komplexních výrobků zavedených firem, jako jsou například satelitní přijímače, mobilní telefony, navigační přijímače a mnohé další. Bohužel se setkáváme v dramaticky rostoucí míře i s padělky samotných elektronických součástek. Může se jednat jak o součástky pasivní (kondenzátory, přesné stabilní odpory), tak také o součástky aktivní (integrované obvody různé složitosti, tranzistory – především výkonové). Naprostá většina těchto součástek pochází z nekontrolovaných smetišť elektroniky na různých místech ve světě. Tyto součástky jsou velmi primitivními postupy vyjímány z elektronických modulů, tříděny a transportovány do padělatelských dílen, kde probíhá jejich „renovace“. Tato „renovace“ se většinou zaměřuje na vzhled a značení součástek s tím, že zapouzdřený systém nemusí odpovídat označení uvedenému na pouzdře součástky a na jejím balení. V každém případě jde u tohoto druhu padělků o již použité nebo vyřazené součástky, které měly být řádným postupem zlikvidovány. Jejich historie je neznámá, takže mohou mít latentní poškození, například elektrostatickým nábojem nebo překročením teplotního rozsahu, a tím sníženou životnost a zhoršené parametry, které v určité aplikaci nemusí být během výroby na testeru patrné. Vstup padělaných součástek do dodavatelských řetězců ohrožuje nejen kvalitu a spolehlivost výrobků spotřební elektroniky, ale bohužel i citlivé systémy zdravotnické techniky, řídicí a regulační techniky, zbraňové systémy, systémy civilního i vojenského letectví, systémy kosmického výzkumu a další [1].

Průnik padělaných součástek do výrobkových sestav ovlivňuje několik faktorů. Důležitou roli hraje dostupnost a cena. Tlak na snižování nákladů může upřednostnit zajímavé cenové nabídky jak u nejnovějších součástek, kterých je kvůli náběhu výroby ještě nedostatek, tak i u součástek, které již nejsou v aktivní sériové výrobě přesto, že z důvodů údržby určitých zařízení s dlouhou životností je o ně stále zájem. Cena těchto součástek, pokud jsou autentické, je dnes pochopitelně výrazně vyšší, než v době jejich sériové výroby.

Existuje mnoho variant padělků elektronických součástek. Jeden extrém představuje prázdné pouzdro s vývody bez obvodového systému, druhý extrém představuje velmi propracovaný padělek, parametricky nerozeznatelný od originálu, u něhož je ovšem z různých příčin snížena spolehlivost, životnost, zatížitelnost, rozsah pracovních teplot, případně další parametry, které nelze zjistit okamžitým měřením a analýzou. Takové součástky by musely být podrobeny dlouhodobému testování ve statistickém souboru a v podmínkách umožňujících projev příslušných odlišností.

Metody testování původnosti elektronických součástek můžeme rozdělit na destruktivní a nedestruktivní. Destruktivní metody vyžadují speciální zařízení, například pro otevření pouzdra součástek, aby bylo možné zjistit, zda obvodový systém součástky svým původem a zaměřením odpovídá označení pouzdra součástky. Nedestruktivní metody mohou zahrnovat nákladná zařízení pro analýzu, jako jsou speciální rentgeny, ultrazvukové mikroskopy a další. Pro většinu těchto metod je nezbytný referenční vzorek originální součástky, aby bylo možné zjišťovat odlišnosti porovnáním [2] [3].

Pro předběžnou identifikaci podezřelých součástí však mnohdy postačí i jednodušší a cenově dostupnější metody. Mezi takové metody patří analýza popisu součásti včetně loga výrobce, kterou lze provádět vizuálně nebo s pomocí jednodušších optických pomůcek. Dále je to analýza průvodní dokumentace, rozměrových a tvarových parametrů pouzdra, povrchové struktury pouzdra i vývodů apod. Kombinace vzhledové analýzy s dostupnou metodou analýzy elektrických parametrů představuje solidní nástroj použitelný v širším měřítku i mimo specializovaná pracoviště.

Metoda měření V-A charakteristik

Metoda měření V-A charakteristik není nijak nová. Představuje možnost zobrazit průběh změny proudu protékajícího určitou dvojicí vývodů součástky v závislosti na definovaném průběhu změny přiloženého napětí. Známé jsou charakteristiky dvojpólů jako jsou odpory, kondenzátory a diody. Na obr. 1 je příklad V-A charakteristiky MKP kondenzátoru 47 nF zaznamenané na našem pracovišti.

Obr. 1 V-A charakteristika kondenzátoru MKP 47 nF

Diagnostická metoda založená na dvoukanálovém porovnávání dvojpólových obvodových konfigurací byla svého času nazvána Analogová příznaková analýza (ASA – Analogue Signature Analysis) a patří rovněž k metodám s delší historií.

Míra a tvar deformace charakteristik může být ale nejen kritériem pro klasifikaci poruch, ale také pro zjištění odlišností způsobených nepůvodním způsobem zhotovení dané obvodové struktury nebo její odlišností. Technologický vývoj přístrojové techniky umožnil konstrukci vícekanálových detektorů padělků součástek s několika měřicími režimy a průběhy napětí přikládaného postupně na vybrané dvojice vývodů součástky. Na našem pracovišti provádíme analýzy součástek s detektorem padělků Sentry Counterfeit IC Detector. Přístroj má 256 měřicích kanálů, které lze pomocí vhodného kontaktního adaptéru propojit se součástkou. U součástek s menším množstvím vývodů lze test provádět na více vzorcích současně. Součástky s větším počtem vývodů než 256 lze testovat postupně ve více krocích. Voltampérové charakteristiky dvojic vývodů vzorové součástky lze uložit do paměti přístroje a reálné charakteristiky analyzovaných součástek pak porovnávat s tímto uloženým vzorem. Soubor V-A charakteristik příslušné součástky se nazývá jejím otiskem (Pin Print) [4].

Obr. 2 Příklad výsledku porovnávací analýzy vzorku kondenzátoru MKP 47 nF

Na obr. 2 je uveden příklad výsledku porovnávací analýzy vzorku kondenzátoru MKP 47 nF (červená elipsa) se vzorovým bezchybným kondenzátorem, s nastaveným tolerančním rozmezím ±3 % ve vertikálním i horizontálním směru (modrá elipsa), získaný na našem pracovišti.

Sledovaným problémem byla postupná ztráta kapacity kondenzátoru během provozu způsobená nestabilitou konzistence vodivých vrstev. Algoritmus vyhodnocení odchylky charakteristiky analyzované součástky od vzoru je založen na podílu počtu bodů charakteristiky obsažený v tolerančním poli k celkovému počtu bodů charakteristiky vyjádřený v procentech.

Experimentální analýza vzorků

Pro analýzu součástek je možné zvolit buď režim tzv. Normální, kdy se voltampérová charakteristika příslušného vývodu součástky vytváří v kombinaci s předem určeným referenčním vývodem, nejlépe typu Vss, nebo je možné zvolit režim tzv. Maticový, kdy se dvojice vývodů pro vykreslení V-A charakteristiky vytvářejí postupně ze všech možných kombinací dvojic vývodů příslušné součástky. Volba mezi Normálním a Maticovým režimem závisí na typu součástky a na technologii, kterou je vyrobena. Základním kritériem volby je vždy citlivost na rozdíly v charakteristikách porovnávaných součástek. Tato citlivost se může u jednotlivých typů součástek a technologií lišit, takže ani jeden z režimů nemá obecně přednost před druhým. U tranzistorů je pro Normální režim vhodné ověřit nejvýhodnější volbu referenčního vývodu tak, aby byla zajištěna vyšší citlivost na rozdíly stavu porovnávaných tranzistorů. Pro detekci významných odchylek je důležité předem vyhodnotit přirozenou variabilitu vzorových charakteristik konkrétního typu součástky ve vztahu k určitému výrobci a šarži. Podle tohoto přirozeného rozptylu je pak možné efektivně nastavit toleranční kritéria. Přístroj Sentry Counterfeit IC Detector umožňuje navíc slučování více vzorových otisků v zájmu podchycení přirozeného rozptylu průběhů charakteristik [4].

Tabulka 1 Přehled vyhodnocení 5 vzorků výkonového tranzistoru MOSFET ze dvou různých výrobních šarží

Tabulka 1 shrnuje vyhodnocení souboru 5 vzorků výkonového tranzistoru MOSFET Fast diode SuperMESH s obohacovaným kanálem typu N provedeného na našem pracovišti. Před analýzou nebyl určen vzorový tranzistor. Ten byl vybrán náhodně.

Obr. 3 Snímky vzorků výkonového tranzistoru MOSFET ilustrující rozdělení do dvou skupin podle příslušnosti k šaržím na základě výsledku analýzy

Výsledky analýzy potvrdily rozdělení do skupin podle čísla šarže, což ilustruje obr. 3.

Poděkování

Práce byla podpořena výzkumným záměrem MSM 7088352102 a projektem CEBIA-Tech No. CZ.1.05/2.1.00/03 Evropského regionálního fondu rozvoje.