Nepůvodní elektronické součástky – rok osmý

Zdá se, že magická síla osmiček, které provázejí historii naší státnosti, ovlivnila trochu i souhru s číslováním našich příspěvků. Faktem je, že naše zkušenosti se prohlubují při každém setkání s novými typy součástek a s hledáním způsobu, jak za dané situace co nejlépe nalézt podezřelé aspekty vedoucí k odpovědnému verdiktu nad dalším osudem testovaných vzorků.

V letošním příspěvku se budeme věnovat příkladu možného testování integrovaných obvodů „dříve narozených“, s obtížným hledáním spolehlivého dodavatele díky skutečnosti, že již delší dobu nejsou sériově vyráběny. Tyto obvody představují velké riziko, že dodávka bude obsahovat repasované, tedy již používané součástky. U takových součástek je většinou velmi obtížné i získání originální dokumentace ke způsobu popisování pouzder, včetně kódování data a příslušné série. Je také zřejmé, že vzorová součástka bude k dispozici jen výjimečně. Pokud taková „zázračná“ situace nastane, může nastoupit komparační analýza pomocí osvědčených metod a vyvození závěru bude jednoznačnější. K ilustraci situace bez existence referenčního vzorku jsme vybrali obvod programovatelného paralelního rozhraní pro mikropočítače. Jeho nejznámější verze firmy Intel měla číselné označení i8255. Rychlejší a energeticky úspornější verze byla vyrobena technologií CMOS pod základním označením 82C55. Tento obvod je v současnosti stále vyráběn, a to firmou Renesas. Klony tohoto obvodu vyráběla svého času řada firem. Obdobou byla také verze D71055C firmy NEC. Právě tento typ byl předmětem naší analýzy. Měli jsme k dispozici 5 kusů vzorků získaných z nabídky na internetu k ověření. Vzorky byly určeny k opravě přístrojů s dlouhou životností, u nichž došlo k poruše, a tento obvod byl vytipován jako vadný. Měli jsme tedy k dispozici i 2 vadné obvody, které bylo možno v dané situaci použít pouze pro porovnání vnitřní struktury pomocí RTG a pro porovnání popisu pouzdra optickým mikroskopem.

Na obr. 1 je pouzdro obvodu v provedení DIP 40 s popisem jednotlivých vývodů. Pro zamýšlené využití analýzy voltampérový charakteristik (otisku jednotlivých vývodů – Pin Print) bylo důležité a zajímavé, že 8 vstupně-výstupních vývodů (na obr. 1 označených D0 až D7) bylo 3stavových. Projev těchto 3stavových obvodů ve formě voltampérové charakteristiky a její opakovatelnosti při zvolených podmínkách byl pro nás novým poznatkem.

Obr. 1 Pouzdro DIP 40 obvodu D71055C

Pro analýzu vzorků jsme použili optický mikroskop, RTG a vyhodnocení voltampérových charakteristik na detektoru nepůvodních integrovaných obvodů. Optická analýza pouzder a jejich popisu ukázala rozdíly u jednotlivých vzorků, ale i u obou vadných součástek, které byly původně osazeny v zařízeních určených k opravě. Na obr. 2 získaném z archivních snímků je s velkou pravděpodobností originální obvod D71055C.

Obr. 2 Archivní snímek obvodu D71055C

Vizuální analýza popisu pouzdra

Na obr. 3 je společná fotografie 5 vzorků podrobených analýze původnosti označených S1 až S5. Na obr. 4 je společná fotografie obou vadných obvodů označených F1 a F2.

Obr. 3 Fotografie skupiny obvodů určené k analýze

Obr. 4 Fotografie vadných obvodů vyjmutých ze zařízení

Na obrázcích 5 až 8 je různé uspořádání detailu popisu pouzdra jednotlivých vzorků pro snadnější vizuální srovnání rozdílů či podobností. Na obr. 5 je přehledové uspořádání všech vzorků. Na obr. 6 jsou vodorovně uspořádány dvojice s podobným provedením popisu včetně podobných fontů. Popisy u vzorků S1, S2, S5 a F1 jsou provedeny potiskem, popisy u vzorků S3, S4 a F2 jsou provedeny laserem.

Obr. 5 Detail popisu horní strany pouzdra všech vzorků

Obr. 6 Uspořádání detailu popisů vzorků podle přibližné podobnosti ve dvojicích vodorovně

Na obr. 7 je zvětšený detail popisu obou vadných obvodů. Zde je nápadný rozdíl v popisu, ačkoliv by měl být podle data výroby obou zařízení, z nichž byly obvody vyjmuty, mnohem podobnější. Z tohoto důvodu se nabízí domněnka, že původní obvody už byly jednou vyměněny, alespoň v jednom případě, tedy vzorek F2.

Obr. 7 Detail popisu obou vadných vzorků, F1 a F2

Z fotografií obvodů ze skupiny potenciálních náhrad pro opravu zařízení a dvou vadných obvodů vyjmutých z opravovaných zařízení je patrné, že se popisy obvodů liší od archivního snímku v poloze popisu i v jeho kontrastu vůči materiálu pouzdra. Přestože kontrast mohl být ovlivněn světelnými podmínkami při našem fotografování digitální zrcadlovkou ze stativu, rozdíly přesto nejsou zanedbatelné. Liší se mezi sebou i vadné obvody vyjmuté v rámci opravy ze zařízení. Historie předchozích oprav zařízení nebyla známa, takže není zaručeno, že tyto obvody jsou původní. Popisy jsou provedeny jednak tampónovým potiskem a jednak popisovacím laserem. Jejich umístění na horní ploše pouzdra není jednotné a jednotné nejsou ani typy fontů znaků včetně loga předpokládaného výrobce. Liší se i strukturou znaků ve třetím řádku popisu. Odlišnosti byly i ve značení (neznačení) ve vtiscích na spodní straně pouzdra. Obvody by již podle těchto znaků bylo možné považovat za podezřelé, poněvadž nelze tak snadno ověřit případné varianty značení přímo u výrobce. Většinou je to nemožné, zvláště pokud taková situace nastane delší dobu po ukončení sériové výroby.

Rentgenová analýza − RTG

Provedená rentgenová analýza ukázala, že vnitřní struktura je u všech vzorků, včetně těch vadných, naprosto stejná. Z toho může plynout, že čip a jeho nosný vývodový systém je původní, ovšem samotné součástky mohly být již používány a posléze repasovány. Na obr. 8 je RTG snímek zahrnující i větší část nosného a vývodového systému z čipu (lead frame). Na obr. 9 je pak detail čipu a jeho okolí. Pro čip je pod obrázkem 8 a 9 použita zkratka SOC (System On Chip).

Obr. 8 Rentgenový snímek obsahu pouzdra obvodu, tedy SOC, micro-bonds a lead frame

Obr. 9 Rentgenový snímek detailu SOC na nosné základně a propojení s vnějšími vývody

Analogová příznaková analýza

S ohledem na nedostupnost referenčního obvodu pro analýzu voltampérových charakteristik byla zvolena metoda testování s autoreferencí každého vzorku (mimo vadné vzorky) v určitém počtu smyček, konkrétně 20. Při tomto dalo by se říci „autotestu“ byla vyhodnocována opakovatelnost výsledků v jednotlivých smyčkách. Opakovatelnost byla zvolena jako kritérium stability chování obvodu při skenování všech vývodů v opakovaných cyklech. Skenovací režim byl nastaven pro zemnicí vývod (GND) jako referenční a podmínky skenování z hlediska kmitočtu skenování a vnitřního odporu zdroje testovacího signálu byly zvoleny v režimu vysoká citlivost (High Sensitivity − kmitočet 100 Hz a vnitřní odpor 100 kΩ) a vysoká rychlost (High Speed – kmitočet 2 kHz a vnitřní odpor 1 kΩ). Tyto režimy jsou přednastaveny výrobcem s možností modifikace parametrů vlastního skenovacího režimu. Průběh signálu byl sinusový. Přestože byly snímány i voltampérové charakteristiky, zde uvádíme pro přehlednost pouze výsledky statistiky chování jednotlivých obvodů po 20 cyklech, poněvadž jasně ukázaly, které obvody jsou pro aplikaci potenciálně vhodnější a které nikoliv. Na obr. 10 je shrnutí výsledků „autotestu“ v režimu „vysoké citlivosti“ po 20 cyklech pro vzorky S1 až S5. Hlavní znak „FAIL“ nebo „SUCCESS“ na obrysu pouzdra obvodu se vztahuje k výsledku posledního, tedy 20. cyklu. V rámečku s hlavičkou „Results“ je uvedena statistika výsledku pro vývody a pro celý obvod sumárně po 20 cyklech. V počtu cyklů je uvedena sice číslice 21, nicméně jde o započatý, ale nehodnocený cyklus po ukončení cyklického testu ve stanoveném rozmezí. Na obr. 11 jsou uvedeny obdobně výsledky „autotestu“ pro režim „vysoké rychlosti“.

Obr. 10 Výsledky „auto-testu“ v režimu „vysoké citlivosti“ po 20 cyklech

Obr. 11 Výsledky „auto-testu“ v režimu „vysoké rychlosti“ po 20 cyklech

Na obrázcích 12, 13 a 14 jsou výsledky cyklických testů uspořádány tak, aby byl porovnatelný případný rozdíl v chování obvodu v režimu „vysoké citlivosti“ a v režimu „vysoké rychlosti“. Tyto rozdíly jsou patrné, stejně jako je patrná skutečnost, že režim „vysoké rychlosti“ není tak citlivý na stav obvodu. Pokud bychom zvolili pouze režim „vysoké rychlosti“, vyšly by jako přijatelné všechny vzorky. Kombinací s režimem „vysoké rychlosti“ se však výběr zúží, čímž je možné stanovit i jakési „pořadí přijatelnosti“. V tomto pořadí pak 1. místo jednoznačně zaujímá vzorek S5, další v pořadí je vzorek S2 a poslední příčku může se značnými rozpaky obsadit vzorek S3. Vzorky S1 a S4 jednoznačně doporučujeme vyřadit.

Obr. 12 Ilustrace rozdílu ve výsledcích pro oba skenovací režimy u vzorků S1 a S2

Obr. 13 Ilustrace rozdílu ve výsledcích pro oba skenovací režimy u vzorků S3 a S4

Obr. 14 Shoda výsledků pro oba režimy u vzorku S5

Bez ohledu na výše zmíněné pořadí pouze vzorek S5 může jako náhradní díl představovat v daném souboru nejmenší riziko. Naše zkušenost ukázala, že při neexistenci funkčního referenčního obvodu lze pomocí cyklického snímání voltampérových charakteristik získat přibližnou představu o stavu součástek, nikoliv však o jejich životnosti či spolehlivosti. Nicméně se oprávněně domníváme, že naznačený postup umožní alespoň základní roztřídění dodávky součástek a vyloučit předem součástky, který tímto testem neprošly. Metoda je určitě spolehlivější než pouhé měření na jednoduchých testerech pro číslicové a analogové testery, u nichž byla zjištěna nesprávná funkce v aplikaci, přestože je tester vyhodnotil jako funkční. Rádi bychom zdůraznili, že každá analýza vzorků přináší nové zkušenosti a obohacení analytických postupů, byť by nebyly v některých případech použitelné v nezměněné podobě. Jako inspirace však poslouží vždy.

Perspektiva dalšího rozšíření diagnostických možností

Naprostá většina vzorků součástek k analýze byla doposud tvořena polovodičovými součástkami, a to především integrovanými obvody. U těchto součástek byla aplikace detektoru nepůvodních integrovaných obvodů možná a vždy přínosná. Stává se však, že je třeba provést analýzu i pasivních elektronických součástek mimo diody. Do této skupiny často patří kondenzátory různých typů a hodnot. Pokud se jedná o malé kapacity menší než 5 μF, lze detektor ještě použít, neboť vykreslení voltampérové charakteristiky je stále ještě dost výrazné na to, aby bylo možné zachytit změny průběhu. Pro větší kapacity je však díky nabíjecímu proudu charakteristika příliš strmá a nezobrazí se její reaktanční charakter. Z tohoto důvodu jsme naše pracoviště nedávno vybavili analyzátorem obvodové sítě, který může analyzovat kmitočtovou závislost parametrů obvodu v kmitočtovém rozsahu 1 Hz až 50 MHz. Uplatnění daného zařízení pokrývá širší potřeby našeho výzkumu, nicméně je rovněž velmi vhodné pro doplňující analýzu součástek, včetně pasivních, tedy i kondenzátorů vyšších kapacit. Tento přístroj jsme již úspěšně použili v nedávno prováděné analýze tantalových kondenzátorů pro povrchovou montáž. Předpokládáme, že další pokračování našeho seriálu o nepůvodních součástkách bude referovat také o možnostech využití tohoto typu zařízení pro rozpoznání nepůvodních součástek.

Poděkování:
Práce byla podpořena MŠMT v rámci Národního projektu udržitelnosti LO1303 (MSMT-7778/2014).

neumann@fai.utb.cz
neumann@utb.cz