Diagnostické vybavení laboratoří LVR na FEL ČVUT v Praze

Text tematicky navazuje na článek zveřejněný v předcházejícím čísle tohoto časopisu. Tento článek je věnován popisu úseku diagnostiky a měření, který přímo navazuje na výrobní prostory LVR (Laboratoře pro vývoj a realizaci).

Úsek diagnostiky a měření sousedí s výrobním prostorem, stejně jako předchozí prostory i zde je kladen důraz na celkovou čistotu a ESD kompatibilitu prostor. Pracovníci mají přístup do tohoto úseku pouze přes úsek výroby a tím i přes přechodovou komoru do čistých prostor laboratoří.

Obr. 1 RTG Nanomex 180T

Vybavení úseku diagnostiky a měření lze v zásadě rozdělit do dvou kategorií. První kategorie je zastoupená přístrojovým vybavením srovnatelným se standardní výbavou vývojových pracovišť. Pracovníci zde mohou používat přístroje od laboratorních zdrojů, přes generátory signálů, přístroje pro analogová elektrická měření až po vizualizaci průběhů pomocí digitálních osciloskopů a logických analyzátorů. V zásadě se jedná o vyšší střední třídu přesností zařízení s frekvenčním pásmem měření do stovek MHz. Významnou přístrojovou odlišností této třídy od prostředků standardních vývojových center je elektronická programovatelná stejnosměrná zátěž CHROMA. Ta umožňuje nezávisle řiditelné zatěžování až osmi zdrojů, i případné zřetězení jednotlivých zatěžovacích bloků s celkovým výkonem jednotky kW.

Obr. 2 AOI Marantz

Druhou kategorii představuje přístrojové vybavení primárně určené pro diagnostiku výroby. Jejich potenciální využití je však nasnadě i pro jiné oblasti prototypových návrhů nebo kontroly kvality. Nejjednoduššími představiteli jsou stereoskopické mikroskopy od firmy Vision určené pro ruční optickou inspekci. Optická soustava vyššího ze dvou instalovaných mikroskopů umožňuje až 120násobné zvětšení obrazu, šikmé zrcadlo s rotačním uložením umožňující pohledy na sledovanou scénu v rozsahu 0–360°. Samozřejmostí je také připojení kamer s programem pro základní měření rozměrů či vkládání anotací do snímaných obrazů.

Obr. 3 Výstup z RTG (gray scale)

Vyšším zástupcem diagnostiky výroby je automatické optické inspekční zařízení (AOI) od firmy Marantz iSpector HDL 650. Jedná se o zařízení ve stolním provedení s ručním zakládáním desek do maximálního rozměru 650×550 mm. Zařízení je vybaveno dvoumegapixelovou hlavní kamerou s telecentrickým objektivem pro pohled shora a osmi bočními kamerami pod úhlem 45° s rozlišením 10 m/pixel. Barevné osvětlení snímané scény pomocí 3 LED světelných zdrojů a barevné kamery umožňují optimální nastavení kontrastu pro různé kombinace materiálů a barev. Principielně je zařízení koncipováno na použití inspekčních rámečků histogramového a vzorového typu. Histogramový rámeček porovnává naměřené zastoupení odstínů s referenčním vzorem. Používá se pro kontrolu pájení. Vzorový rámeček porovnává vzájemnou podobnost naměřeného a referenčního obrazu. Využívá se pro inspekci orientace, značek na pouzdrech a podobně. Referenční rámečky obou typů jsou soustředěny do knihoven kontrolovaných prvků vázaných ke konkrétně řešeným projektům. Programování inspekce může být jednak ruční, nebo poloautomatické s využitím CAD dat z návrhového systému sledovaných osazených desek plošných spojů. Výstupy automatické optické inspekce jsou automatické anotované reporty, které jsou hodnotnou zpětnou vazbou pro oddělení vývoje a výroby.

Obr. 4 Výstup z RTG (pseudo 4)

Unikátní zařízení, kterým je vybaven úsek diagnostiky a měření, je zařízení pro dvourozměrnou a třírozměrnou rentgenovou inspekci GE Phoenix X-ray Nanomex 180T. Toto nedestruktivní diagnostické zařízení je vybaveno otevřenou RTG trubicí s maximálními elektrickými parametry 180 kV/15 W, vedenou pod obchodním označením Nanofokus. Dosažitelné maximální rozlišení je 200 nm na pixel. Jako detektory jsou instalovány dva snímače obrazu s parametry, které umožňují preferovat buď rychlost nebo rozlišení výsledného obrazu inspekce. V dvourozměrné inspekci desek plošných spojů je kromě ručních měření možno použít automatických modulů pro inspekci pájení BGA nebo QFP pouzder, případně prokovů a vývodů pouzder pro klasickou montáž. I zde je samozřejmostí možnost importu návrhových CAD dat pro snadnější programování automatických kontrol. Dvourozměrná inspekce se nemusí omezovat pouze na DPS. S velkým úspěchem lze zařízení použít pro materiálové inženýrství a to jak pro nedestruktivní sledování struktur materiálů, tak případných konstrukčních vad obecných komponent, případně sledování biologických vzorků. Výstupem inspekce mohou být anotované obrazy sledované scény s definovanou barevnou škálou pro získání potřebných kontrastů. Maximální velikost sledovaného objektu pro 2D inspekci je 680×635×170 mm s maximální hmotností 10 kg. Pro plné využití schopností RTG inspekce je zařízení vybaveno upínacím adaptérem a rekonstrukční stanicí pro trojrozměrnou počítačovou tomografii – CT. Maximální teoretické rozlišení voxelu je 200 nm. Nasnímaný 3D obraz objektu lze následně zpracovávat offline za pomocí VGI Studia od firmy MAX, které je obdobou 3D MAX Studia s podporou RTG inspekce. Ze základních funkcí lze jmenovat export definovaných řezů objektu, jeho vizualizace jako vektorového objektu, dělení, slučování objektu, tvorba animací, sledování scény kamerami a podobně.

Úsek diagnostiky a měření přímo navazuje na potřeby ostatních úseků LVR. Svými parametry tyto potřeby nejen splňuje, ale v mnoha případech i převyšuje. Přístrojové vybavení vytváří dostatečné zázemí pro vývoj vzorků/prototypů a výrobu malých sérií. Zařízení pro nedestruktivní testování je výbornou zpětnou vazbou na výrobu a vývoj. Samotná diagnostika i její spojení s výrobou a vývojem v LVR tak umožňuje uspokojit i velmi náročné požadavky.