Проектирование в машиностроении и электронике

Метод контроля изделий по создаваемому ими магнитному полю[1]

В.В. Амеличев¹⁾, к.т.н., нач. отдела,
Е.И. Артамонов²⁾, д.т.н., зав. лаб.,
С.И. Касаткин²⁾, д.т.н., зав. лаб.,
Д.В. Костюк¹⁾, руков. лаб.,
А.М. Муравьёв²⁾, к.т.н., с.н.с.,
А.И.Петров²⁾, асп.,
Н.В. Плотникова²⁾, вед. инж.,
В.А. Ромакин²⁾, к.т.н., с.н.с.,
К.А. Савельев²⁾ вед. инж.,
¹⁾ НПК ТЦ, г.Зеленоград
²⁾ ИПУ РАН, г.Москва

Рассмотрены результаты исследований возможностей контроля изделий по создаваемому ими магнитному полю. Предложена модель расчёта тока и создаваемого им магнитного поля в проводнике с прямоугольным дефектом. Описана разработанная и изготовленная анизотропная магниторезистивная головка-градиометр для измерения приповерхностных магнитных полей для контроля функционирования электронных компонент по создаваемому ими магнитному полю. Описана работа стенда с тестовой платой в составе плоттера.

The article describes the results of research of possibilities of products control using their magnetic field. The model of computing the current and its magnetic field in the conductor with rectangular defect is proposed. The anisotropic magneto-resistive head-gradiometer, that have been developed and produced to measure near-surface magnetic fields for controlling performance of electronic products by their magnetic field, is described. The test stand with test board and plotter is described.

Введение

В настоящее время для обнаружения дефектов и неисправностей наиболее широко используются методы оптического и рентгеновского контроля, а также электрические методы (внутрисхемное и функциональное тестирование) [1].

Оптический контроль позволяет выявить в первую очередь отсутствие электрических и конструкционных компонентов, деформацию их выводов, неправильную маркировку, обрывы проводников и паразитные перемычки, непропаянные соединения и т.д. [1]. В мелкосерийном производстве такой контроль осуществляется визуально с использованием оптических методов, в крупносерийном – с использованием автоматизированных установок [2, 3]. Из недостатков оптического контроля можно отметить то, что он не позволяет проверить работоспособность изделия в сборе.

Функциональное тестирование применяется после оптического контроля, однако, оно не позволяет локализовать дефекты. Кроме того, при подаче напряжения платы с дефектами могут получить серьезные повреждения. Внутрисхемное тестирование позволяет обнаружить отсутствующие, неправильно установленные или дефектные компоненты, обрывы проводников, паразитные перемычки и т.д. [1].

Сейчас для тестирования электронных компонент распространение получают устройства, измеряющие магнитное поле, создаваемое работающей печатной платой или микросхемой [1, 3]. Для измерения используются магниторезистивные (МР) преобразователи магнитного поля [4]. В связи с этим возникают задачи определения работоспособности изделия и, в частности, местоположения дефекта в проводнике по создаваемому им магнитному полю, и создания МР преобразователя магнитного поля для измерения приповерхностного магнитного поля.

Магнитное поле прямоугольного дефекта в проводнике

Одним из распространённых дефектов изделий являются нарушения топологии проводников. Рассмотрим прямоугольный вырыв в проводнике. Первым этапом при нахождении магнитного поля планарного проводника с дефектом является поиск распределения тока в таком проводнике. В общем случае плотность тока в проводнике зависит от значений компонент электромагнитного поля в веществе и свойств материала проводника. Так на электромагнитное поле и ток в магнитных материалах может оказывать влияние магнитная структура внутри вещества, а также поверхностные особенности материала. Для проводников с малой магнитной восприимчивостью (например, медь) и в пренебрежении поверхностными особенностями, задача о распределении тока в проводнике в стационарном случае сводится к решению уравнения Лапласа для скалярного потенциала. После его решения ток можно найти согласно закону Ома

,

где σ — удельная проводимость материала проводника, φ - потенциал.

Для того чтобы найти потенциал φ, был использован метод конформных преобразований, при этом вместо скалярного потенциала использовался комплексный: , где U(z)=φ(z) — скалярный потенциал комплексного аргумента z, V(z) — функция потока. Граничные условия соответствуют тому, что силовые линии электрического поля, совпадающие с линиями равного уровня функции потока, не пересекают границ проводника. Кроме того, предполагается, что задана суммарная сила тока через проводник. При таких условиях решаемая задача принимает вид

где n — внешняя нормаль к границе.

В случае дефекта произвольного вида решение этой системы представляет собой сложную математическую задачу, решение которой возможно только численно. Однако, для ряда областей возможно получить аналитическое решение. Для этого решение задачи ищется в верхней комплексной полуплоскости, а затем строится отображение этой полуплоскости на искомую область. В верхней полуплоскости задача сводится к нахождению комплексного потенциала точечного заряда в двумерном случае. Её решение хорошо известно:

.

Для прямоугольного выреза в линейном проводнике искомое отображение z(z₁) было построено в работе путём отражения более простой области вдоль оси симметрии. Поскольку в приведенном там решении возникают нефизические расходимости плотности тока в углах дефекта, был использован механизм скругления этих углов, описанный в работе. В этом случае отображение верхней полуплоскости на полосу с уступом задаётся интегралом Шварца-Кристоффеля, результат расчета которого имеет следующий вид

(1)

Здесь h — ширина проводника, k — ширина дефекта, γ, δ₁, δ₂ — параметры, определяющие величину радиуса скругления. Картина силовых линий, полученная таким образом для проводника с размерами h=1 мм, k=200 мкм, длиной дефекта l=400 мкм и радиусом скругления внутренних углов ρ=20 мкм, приведена на рис. 1. Погрешность решения составляет в этом случае порядка 0,3%.

рис. 1 Картина силовых линий для проводника с размерами h=1 мм, k=200 мкм, l=400 мкм, ρ=20 мкм

Компоненты и величина тока определялись как

где I — суммарная сила тока через проводник, τ — толщина проводника,

.

На рис. 2 приведены нормированные распределения компонент и величины плотности тока по проводнику размерами h=1 мм, k=200 мкм, l=400 мкм, ρ=20 мкм толщиной 18 мкм. — плотность тока на бесконечном удалении от дефекта.

Зная распределение тока в проводнике, можно рассчитать магнитное поле, создаваемое проводником с дефектом. Для того, чтобы рассчитать магнитное поле проводника, мы воспользовались законом Био-Савара-Лапласа. Входящий в него интеграл был взят численно с помощью формулы Симпсона для кратных интегралов. Поле от полубесконечных полос было найдено в аналитическом виде.

рис. 2 Распределения нормированных компонент и величины плотности тока по проводнику размерами h=1 мм, k=200 мкм, l=400 мкм, ρ=20 мкм, τ=18 мкм

На рис. 3 приведено распределение вертикальной составляющей магнитного поля поперёк проводника без дефекта (а) и с прямоугольным дефектом (б) посередине дефекта на удалении 100 мкм от поверхности проводника. Размеры проводника и дефекта: h=1 мм, k=200 мкм, l=400 мкм, ρ=20 мкм, толщина τ=18 мкм, подаваемый в него ток – 1 А. Видно, что распределения магнитного поля проводника без дефекта и с дефектом сильно различаются. Считая, что пороговая чувствительность подобных АМР преобразователей около 0,1 мЭ, пороговая чувствительность по току для проводника шириной 1 мм должна составлять около 1–3 мА. При уменьшении ширины проводника чувствительность будет расти обратно пропорционально его ширине до величины, сравнимой с удалением чувствительного наноэлемента от поверхности проводника.

рис. 3 Распределение вертикальной составляющей магнитного поля поперёк проводника без дефекта (а) и с прямоугольным дефектом (б)

Распределения вертикальной составляющей магнитного поля вдоль края проводника стороны без дефекта и по краю прямоугольного дефекта на удалении 100 мкм от поверхности проводника сильно различаются, что позволяет получить дополнительную информацию о местоположении и размерах дефекта.

АМР чувствительный наноэлемент с линейной вольт-эрстедной характеристикой (ВЭХ) повторит распределение вертикальной составляющей магнитного поля, создаваемого током в проводнике и покажет наличие в нём дефекта и его местоположение.

АМР головка-градиометр

МР преобразователи магнитного поля наиболее подходят для решения задачи измерения приповерхностного магнитного поля, создаваемого работающим изделием. МР преобразователи имеют высокую чувствительность, измеряют как постоянное, так и переменное магнитное поле до частоты 1 ГГц.

Нами разработана АМР головка-градиометр, позволяющая измерять локальное магнитное поле с высоким ослаблением однородного магнитного поля. АМР головка-градиометр содержит подложку с диэлектрическим слоем, тонкопленочные АМР полоски, содержащие верхний и нижний защитные слои, между которыми расположена ферромагнитная FeNiCo плёнка. Поверх тонкопленочных АМР полосок расположен первый изолирующий слой, на котором сформирован проводник для подачи импульсов set/reset с рабочими частями, расположенными над тонкопленочными АМР полосками. Выше расположены второй изолирующий слой, планарная катушка, рабочие части которой расположены вдоль оси лёгкого намагничивания (ОЛН) ферромагнитной плёнки и верхний защитный слой.

На рис. 4 приведена топология головки-градиометра. Конструктивно, АМР головка-градиометр состоит из четырёх плеч мостовой схемы, одно из которых 1 – рабочее плечо и три балластных плеча. Рабочее плечо находится около края АМР головки-градиометра, а три балластных плеча удалены от рабочего плеча. Тонкоплёночные АМР полоски соединены немагнитными низкорезистивными перемычками. Над полосками расположен планарный проводник для подачи импульсов тока set/reset для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля.

В тонкоплёночные АМР полоски подаётся постоянный сенсорный ток для считывания сигнала. Перед началом работы в проводник подаётся импульс тока произвольной полярности, но одинаковой каждый раз, для устранения влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля. Импульс тока должен быть достаточно большой величины (обычно около 1 – 2 А), чтобы в проводнике создать во всех тонкоплёночных АМР полосках одинаковое магнитное состояние, чем и достигается устранение влияния гистерезиса на результаты измерения магнитного поля.

рис. 4 Топология АМР головки-градиометра: 1-4 – АМР полоски; 5 – низкорезистивные соединения полосок; 6 – проводник set/reset

Перед началом измерения векторы намагниченности ферромагнитной плёнки в тонкоплёночных АМР полосках направлены вдоль её ОЛН, развёрнутой приблизительно на 45⁰ от оси длины полоски. Это направление векторов намагниченности соответствует линейной ВЭХ АМР головки-градиометра с максимальной чувствительностью. В тоже время, из-за симметричного магнитного состояния всех четырёх плеч мостовой схемы, однородное магнитное поле, действующее на АМР головку-градиометр, не будет создавать сигнал считывания на выходе мостовой схемы. При этом воздействие однородного магнитного поля на АМР полоски приводит к изменению в них направления векторов намагниченности, что, при приближении величины однородного магнитного поля к краю линейного диапазона головки-градиометра приведёт к уменьшению её чувствительности.

Локальное магнитное поле, действующее на рабочее плечо мостовой схемы АМР головки-градиометра, приводит к изменению направления векторов намагниченности ферромагнитной плёнки, что изменяет магнитосопротивление тонкоплёночной АМР полоски и появлению сигнала считывания. Аналогично АМР преобразователю магнитного поля головка-градиометр будет обладать ВЭХ с линейным участком (рис. 5). На этом рисунке приведена осциллограмма ВЭХ АМР головки-градиометра для размеров FeNiCo₆ полоски размером 20х120 мкм² для толщины ферромагнитной плёнки 24 нм. Из-за того, что в АМР головке-градиометре только одно рабочее плечо, её чувствительность, по сравнению с АМР преобразователем магнитного поля, в несколько раз меньше и достигает величины не более 0,1 мВ/(ВхЭ). Реальное ослабление влияния однородного магнитного поля на сигнал головки-градиометра составляет величину не менее 15 раз.

рис. 5 Осциллограмма ВЭХ АМР головки-градиометра

Макет магнитометра с плоттером

Были разработаны стенд магнитометра в составе плоттера и тестовая печатная плата с проводниками шириной 100, 200, 400 и 800 мкм, часть из которых имеет дефекты в виде прямоугольных углублений заданных размеров. На рис. 6 приведена фотография платы электроники макета магнитометра с тестовой печатной платой.

Были проведены измерения сигналов АМР головки-градиометра от планарных проводников толщиной 18 мкм шириной W = 800 мкм, 400 мкм, 200 мкм и 100 мкм на одинаковом удалении головки от поверхности проводника на тестовой печатной плате. Для W = 400 мкм чувствительность по току – 0,6 мВ/(В*А).

Были измерены сигналы головки на краю широкой части проводника (со стороны дефекта и с другой стороны проводника) и на краю узкой части проводника с двух сторон проводника. Величины сигналов в этих двух положениях различны (около 8 мкВ и –12…–16 мкВ), приблизительно постоянны для различных ширин проводника и достигаются при различных положениях головки относительно проводника, соответствующим положению и размеру дефекта. Сигналы с противоположных сторон проводника имеют разную полярность, что соответствует полярности магнитного поля, создаваемого током в проводнике на его противоположных краях. В центре проводника сигнал отсутствует, что позволяет определить наличие и местоположение дефекта.

рис. 6 Фотография платы электроники макета магнитометра с тестовой печатной платой

Управление движением АМР головки-градиометра

Для управления движением АМР головки-градиометра в плоттере разработано специализированное программное обеспечение с простым пользовательским интерфейсом (рис. 7).

рис. 7 Интерфейс для управления движением головки-градиометра в плоттере

Группа элементов «Пульт управления плоттером» служит для относительного перемещения головки плоттера с заданным шагом, а также для перемещения головки плоттера в начало координат.

Восемь кнопок со стрелками, расположенные в форме квадрата, служат для управления перемещением головки плоттера в сторону, соответствующую изображенной на кнопке стрелке, при этом шаг перемещения задается в поле «Шаг» (в микронах). Кнопка, расположенная в центре квадрата, служит для перемещения головки плоттера в начало координат. В полях «X» и «Y» отображается текущее положение головки плоттера. Эти значения совпадают с фактическими, если при запуске программы головка плоттера находилась в начале координат, а также после нажатия кнопки перемещения в начало координат. В противном случае эти значения, вообще говоря, отличаются от фактических. Группа элементов «Перемещение из точки А в точку Б» служит для управления перемещением головки плоттера из одной точки в другую. Поля ввода «Точка А», «Точка Б» служат для задания абсолютных координат начальной и конечной точки головки плоттера в системе координат плоттера (в микронах). Значение поля ввода «Пауза» определяет, с каким интервалом (в мс) программа будет передавать плоттеру команды перемещения головки в пошаговом режиме. Между двумя командами необходимо делать паузу, поскольку плоттер не имеет обратной связи с компьютером и не может передать ему сигнал о том, что процесс перемещения головки завершен.

Компьютерная обработка сигнала магнитометра с АЦП

Особенностями работы АМР головки-градиометра магнитометра являются периодическая подача пары разнополярных или одного токовых импульсов длительностью 1 – 2 мкс и величиной 1 – 2 А для устранения влияния гистерезиса полосок на результаты измерения магнитного поля, что даёт наводки в сигнал, меняет его форму из-за перемагничивания полосок, а сам сигнал вычисляется как полуразность значений после действия разнополярных импульсов тока. Разработано и протестировано программное обеспечение для устранения наводок от токовых импульсов и шумов, возникающих вследствие малой величины сигнала, а также для расчёта сигнала. Далее рассмотрена работа алгоритма обработки сигналов АМР головки-градиометра для исходного сигнала, график которого изображен на рис. 8.

рис. 8. Исходный сигнал с головки-градиометра

Прежде всего из исходного сигнала удаляются высокочастотные шумы и случайные выбросы. График обработанного сигнала приведен на рис. 9.

рис. 9. Удаление высокочастотных шумов и случайных выбросов

Далее из сигнала удаляется фоновый шум (рис. 10, Ch3). И наконец, для вычисления амплитуды сигнал разбивается его на циклы по положительному и отрицательному фронту амплитуды и для каждого цикла вычисляется полуразность максимального и минимального значения (рис. 10, Ch4).

рис. 10 Окончательный вид сигнала головки-градиометра

Рассмотренный алгоритм реализован в программной системе PowerGraph.

Заключение

Разработан способ аналитического определения плотности тока в проводнике с дефектом прямоугольной формы, позволяющий избежать нефизичных сингулярностей плотности тока в углах. Это дало возможность теоретически рассчитать поле такого проводника в любой точке пространства. Разработана и исследована АМР головка-градиометр для измерения приповерхностного магнитного поля работающего изделия с линейной ВЭХ и ВАХ, требуемой чувствительностью и ослаблением однородного магнитного поля. Показана её работоспособность на примере обнаружения прямоугольного дефекта в планарном проводнике. Разработано программно-математическое обеспечение для управления продвижением головки-градиометра в плоттере и обработки сигнала магнитометра с АЦП.

Литература

1. Касаткин С. И., Васильева Н. П., Муравьев А. М., Плотникова Н. В. Контроль и диагностика печатных плат и микросхем посредством анализа их магнитных полей. // Датчики и системы. ИКА. 2008. Т. 1. С. 49–53.

2. Козлов А. С., Щербаков С. A. Оптические методы контроля соединений на печатных платах и безопасность эксплуатации электронных устройств. // Вопросы теории безопасности и устойчивости систем. 2006. Т. 8. С. 186–196.

3. Сайт фирмы Micro Magnetics: www.micromagnetics.com.

4. Касаткин С.И., Васильева Н.П., Муравьёв А.М. Спинтронные магниторезистивные элементы и приборы на их основе // Москва. Изд. Электронсервис. 2005.180с.

---

[1] Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 12-08-00841.