Цифровой рентген: инспектор Гаджетов

Good news, everyone!

Отклик на предыдущую статью был неплохой, все собирался продолжить, да только новогодние выходные дали такую возможность.

В этот раз хочу рассказать про опыт нашей разработки портативной системы для рентгеновского контроля печатных плат и различной электроники/гаджетов.

Для чего мы этим занимаемся – рентгеновские детекторы премиального класса у нас уже есть, их активно используют в контроле сварки, керамики, композитов и научных исследованиях (например в питерском ЛЭТИ или Ядерном институте в Дубне).

Следующий шаг — «потыкать» в рынок готовых рентгеновских систем и комплексов «под ключ». Тут взор падает на два направления: рентген электроники и томография. В обоих случаях нужно получить максимальное разрешения и низкий уровень шумов в рентгеновском изображении, с чем наша продукция справляется идеально.

Начнем с рентгена электроники, ибо томография это отдельный мир.

Зачем нужен рентген электроники?


Варианты ответа, нужное подчеркнуть:

  • Монтаж печатных плат делали «рукожопы»
  • Технологи намудрили с режимами при автоматической пайке
  • Микросхемы с контактами BGA (в основном память) не работают
  • Плата не стартанула, возможно из-за КЗ
  • Контрафакт микросхем (вообще без контактов или муляж, на хабре есть отдельная статья на эту тему)
  • Плохой контакт горячих элементов и радиатора, срабатывает отключение
  • Любой другой сюрприз на фабрике дядюшки Ляо
  • Лень разбирать уже готовое изделие
  • Большой брат следит за нами и норовит поставить жучок

    image

Окей гугл, как сделать рентген электроники без регистрации и смс?


Архитектурно схема простая – нам нужен детектор (есть), источник рентгеновского излучения (нашли), система перемещения или что-то для автоматизации подачи объекта контроля (сделаем). Заворачиваем все это в свинцовую обертку, ставим ПО и вуаля – система готова.

Источников рентгеновского излучения в мире много, производятся они и в России. Отличаются анодным напряжением, мощностью, размером фокуса, углом выхода рентгеновского пучка, еtс. Нам интересен только класс микрофокусных источников, это когда пучок рентгеновского излучения исходит из очень маленького пятна (фокуса). Диаметр этого пятна должен составлять микроны, что позволяет работать в режиме геометрического увеличения. Меньше фокус – меньше размытие на границе рентгеновской проекции нашего объекта и большее увеличение мы можем сделать. В пределе получается рентгеновская микроскопия 5000 крат и более.

Для наглядности:



Микрофокусный рентгеновский источник


В целом это не penis canina. Пятнышко микронного размера (5-30 мкм) даже на вольфрамовом аноде не может принять в себя большую тепловую мощность, а она нужна для просвечивания металлических корпусов и работы в видео режиме (экспозиция на кадр в миллисекундах).

Решений этой проблемы много: алмазные подложки, титанические системы охлаждения анода, рентгеновские трубки с жидким металлическим анодом (стоят как самолет).

Мы выбрали отечественную рентгеновскую трубку с фокусом 15-30 мкм и водяной системой охлаждения анода дабы не раздувать итоговую цену системы. Коэффициент геометрического увеличения у нее невелик (до 50 крат), мощность тоже (до 10 Вт), но этого хватает для решения обычных задач.

Система перемещения


Нам необходимо перемещать объект контроля под рентгеном (оси XY), играться с увеличением (ось Z), желательно иметь возможность посмотреть объект под углом или повернуть его на угол (оси АВ). Итого максимум 5 осей перемещения.

Трехмерная модель выглядит примерно так:



Ничего не напоминает? По сути это 3д принтер с пятью осями на CoreXY геометрии.

Слава науке, в мире огромное количество энтузиастов трехмерной печати и существуют открытые проекты по электронике и встраиваемому ПО для них. Мы сделали прототип на RAMPS + ПО GRBL, аккуратно сильно доработав напильником.

Прелести работы с дядюшкой Ляо


Настоятельно рекомендую развести и собрать новые версии плат управления и драйверов шаговых двигателей. Купленные с алиэкспресса детали могут подвести в любой момент. В части драйверов нам хватило обычных А4988, которые были под рукой, но можно присмотреться и к более мощным собратьям на микросхеме TB6600 или аналогам.

В части направляющих – любые брендовые, например Hiwin, все остальное – лотерея.

Многие комплектующие для 3д принтеров и ЧПУ, продаваемые у нас, это тот же алиэкспресс. Никаких гарантий вам не дадут. Из личного опыта – кривые рельсы, ручная прочистка кареток, смазка, шаговые двигатели с разным количеством витков и габаритами, разные модели втулок и гаек при одинаковых артикулах – все это прелесть работы с ноунеймом. Зато дешево, да.
Мы, естественно, все переделали.

Программное обеспечение


Для старта использовали ОЕМ ПО для работы с рентгеновскими изображениями, т.к. есть ряд партнерских компаний-разработчиков под наши детекторы с хорошим функционалом.

Для управление системой перемещения использовали форк утилиты UGS, доработан напильником.
Следующий шаг — разработка собственного ПО, максимально заточенного под задачу контроля электроники + автоматизации анализа на нейросетях.

Итог


Собрали и запустили MVP, отлаживаем и собираем серию. Даже удивительно, что при цене в 50% от ближайшего европейца\японца решаем «на ура» большую часть рутинных задач.

P.S. Если вам интересно то, чем мы занимаемся — пишите. Будем хайрить команду под этот проект. Desktop, Qt, openCV, Linux, из вкусного — опционально поддержка Эльбруса.

Видео


На что похожа работа с системой с точки зрения пользователя: UPD2020_05



Картинки


Ткнуть сюда













Комментарии 52

    +4
    Какова цена вопроса?

    Пользуемся стоматологическим рентгеном из соседней с нами клиники (излучатель 70кВ, пятно 300мкм + сенсор 25 линий на мм). Картинка неколько хуже чем у вас, но основные дефекты пайки хорошо различимы. Цена комплекта порядка 300 тыс. руб.
      +3

      Дороже, существенно.
      Если хватает скорости дентальника — то отлично. Это самый бюджетный вариант

        0
        Хорошая штука. Но даже для большой организации дороговата. Конечно, если говорить о разработчиках РЭА в условиях современной России.

        Мы по необходимости ездим к тем, у кого подобное есть. Отличный вариант. Подавляющей большинство проблем выявляет. А меньшинство… Была у нас проблема с картами памяти CompactFlash — при переходе через -10С они теряли данные. Но сохраняли работоспособность. При паспортной рабочей до -40С. Больше того, при -40С можно было включить и работать — хоть бы что. С таким рентген не поможет. Во всяком случае мы ничего не нашли. Но в целом если вдруг в партии очень много брака сразу — поездка на рентген за разумные деньги почти всегда вскрывает основные проблемы (а побочные, как правило, уходят следом).
          0
          В стабилизаторе внутри карты что-то было не термокомпенсированное. Я такое видел с картридерами, только с полным капутом при опускании к -15 и работе. После — кирпич. но в моем случае и взятки гладки — картридер был не для таких условий изначально
            0
            Наверное. На самом деле мы свозили на рентген старую редакцию, проблеме не подверженную и новую. Стало понятно что это принципиально разные карты, ничего общего кроме этикетки не имеющие. Ну и отказались. Нам нужно было изделие работающие, а не понять что не так с картой. Благо выбор Industrial CF, с интерфейсом именно CF, а не IDE тогда еще был.

            А вот замена карт в 300 изделиях разбежавшихся по всей России тот еще квест был. И, самое обидное, на пустом месте. Мы все проверяли. И даже работу при -40С… Теперь умнее. И проверяем не только граничные, но и весь диапазон. Долго и дорого, но надежность важнее.
          0
          У дентальника очень большой диаметр фокального пятна, из-за этого нет возможности получить геометрическое увеличение, т.е. сенсор приходится прикладывать плотно к печатной плате. Скажите сколько стоил ваш излучатель с пятном 30мкм?
            +2
            Излучатель производства Элтех-Мед (ЛЭТИ). В зав-ти от энергии и мощности, порядка 500-700 тыч р
              0
              Нда, тихий ужас. Японские излучатели стоят столько же, при том, что японские более надежны и имеют больше нарабоки. На что люди надеятся выставляя такие цены за свою продукцию — остается только догадываться.
                +1

                Японские такого класса стоят в три раза дороже. Боюсь вы сравнивание разные классы оборудования, это всё-таки не дентальные аппараты

                  0
                  Маломощные (70/90кВ) трубки Toshiba с диаметром фокального пятна от 50мкм стоят порядка $15k. Я не знаю какого они класса, так как плохо разбираюсь в этой теме, но это в 10 раз лучше чем то, что сейчас предлагается для стоматологов. Установить такую трубку на сервоплатформу, установить дентальный сенсор MyRay HD и это закроет 90% всех потребностей в контроле для небольших предприятий разработчиков РЭА. Цена токого решения будет порядка 1200 тыс руб. Я бы приобрел :-).
                    0
                    Забыли про высоковольтный блок для трубок, это еще порядка $5-10k.
                    Про модели трубок Тошиба не скажу, не изучал, лучше Oxford Instruments взять.
                    Маленький MyRay HD будет тормозить на видео режиме, да и помереть может на 90 кВ. Мы думали об этом, неэффективно для больших плат формата ATX — слишком долго снимать одну плату придется
                      0
                      Видео в подавляющем случае не нужно, достаточно статической картинки. Материнские платы тоже не каждый день приходится разрабатывать. Меня вполне устроит вариант с просветкой только BGA корпусов, всю плату просвечивать смысла особого нет.

                      Если хочется всю плату и на видео, то теоритически можно было бы как-то автоматизировать процесс, т.е. система делаеть много много снимков и формирует из них видео, оператор приходит через пару часов и просматривает результат.
                        0
                        Мы сейчас так и делаем, скрипт выполняет сканирование всей платы участками, потом алгоритм сшивает картинки в одну большую для анализа и сравнения с референсом.
                        По видео — каждому свое, нашим заказчикам и их технологам необходима эта функция.
        +1
        Какой детектор? Что посоветуете для домашнего DIY?
          +1
          Стоматологический детектор, это единственное что потянет домашний бюджет и разрешение хорошее
            0
            Детектор может быть и аналоговый www.youtube.com/watch?v=Mei5VZtYQl8
            +1
            Покажите, как выглядит под рентгеном дефектная пайка?
              +2
              Найдите книгу «Д Бернард — Практическое руководство по использованию X-Ray инспекции в производстве радиоэлектронных изделий — 2007», там все образы дефектов указаны с графическими примерами
                0
                Спасибо!
              +9
              Я тут доклад делал на околотематику. Позволю себе добавить ещё парочку картинок с дефектами:
              туча картинок
              Трещина в танталовом конденсаторе:
              image
              image


              Повреждения токоведущих дорожек:
              image
              image


              Расслоение полупроводникового кристалла:
              image
              image


              Нарушение технологии производства ЭКБ:
              image
              image
              image


              Сужение и разрывы выводов в шейке сварного соединения:
              image
              image


              Отсутствие полупроводникового кристалла в корпусе:
              image
              image

                0
                Спасибо за картинки! В докладе правда есть как рентгеновская инспекция, так и электронная микроскопия (SEM). Методы немного отличаются возможностями и оборудованием
                  –2
                  Кармы не хватает плюсануть… Отличные картинки. Отличного качества. И действительно типовые заморочки. Есть, правда, еще несколько. Но там не так наглядно. А эти действительно — самые распространенные.
                    0
                    Вопрос к Вам как с пециалисту: Вы можете обьяснить причину появления неоднородностей в шариках BGA после пайки, их часто видно на рентгене в виде скопления темных точек, и как с ними бороться? На сколько это влияет на работоспосоность и нажедность конечного изделия?
                      +1
                      Несплошности есть в любом припое, это нормально.
                      Вопрос только в их количестве, если их более 20-30% от площади контакта — да, нехорошо.
                      Могу посоветовать поговорить с технологами, это вопрос им ближе. Напишите на почту, дам контакт технолога
                        0
                        Любопытный вопрос. А может есть возможность фотографию показать? Мне такое в «живую» не попадалось. Первая мысль была-технология смешанная, свинцовый шарик, бессвинец припой, TAL не выдержан. Вторая, разные плотности, но от чего? От растворения защитного слоя в объеме? — но такое на рентгене еще увидеть надо.
                          0
                          Напишите на почту, дам контакт технолога.
                        +1
                        «картинки-антонимы» к «прогреть карту в духовке» :)
                        0
                        Хорошо бы тогда и про защиту и ТБ рассказать.
                          0

                          Рассчет рентген защиты отдельная тема, к тому же не представляю как ее интересно подать.
                          Для всех любителей DIY могу только рекомендовать ознакомиться с курсами по радиационной безопасности и не баловаться этим дома.

                            0
                            Для всех любителей DIY
                            Именно из за этих комментов и вспоминая пост: Опыт рентгеноскопии в домашних условиях и ещё более грустная история там же в комментах. Надо бы рассказать как мне кажется.
                            • НЛО прилетело и опубликовало эту надпись здесь
                                0
                                Но в целом, для всяких самоделок лучше перебдеть, и использовать свинцовый лист толщиной не менее 3,5-4мм.
                                Да уж… представил массу
                                  +1
                                  4 мм приемлемо только до 100 кВ
                            0
                            Тут надо упомянуть просто про некоего Сифун-а и приключения его руки.
                              0
                              да, грустная история или повезло — как посмотреть
                            0
                            Скажите, выбор микрофокусного источника по сравнению с микрокапиллярной оптикой обусловлен его дешевизной? Планируете ли использовать рентгенофлуоресценцию для контроля элементного состава?
                              0

                              Микрокапиллярная оптика не даёт требуемой мощности, возможно там ещё есть подводные камни — примеров таких решений в промышленности ни у кого не видел

                                0
                                Гм, а почему вы вообще про РФА спросили? Он явно не в тему поста, да и на этом детекторе его никак не сделать.
                                  0
                                  Верно, на нашем детекторе из альтернативных методик можно только рентген дифракцию посмотреть еще
                                    0
                                    Ну просто если есть вторичное рентгеновское излучение из точки встречи пучка с анализируемым объектом, то представляется логичным воспользоваться им для анализа из чего оный состоит — например припой там на основе Pb или Bi. Конечно для этого нужен отдельный детектор — в простейшем случае pin диод и оптический микроскоп для прицеливания, расположенные с той же стороны, что и рентгеновская трубка.
                                      0
                                      Конечно для этого нужен отдельный детектор


                                      Об этом и речь — нужен детектор со спектральным разрешением.
                                        0
                                        Они есть в природе, пока только размер активной зоны очень маленький. Можно почитать про сенсоры TimePix/MediPix
                                          0
                                          Я знаю. Ты видимо не понял, с кем говоришь ))
                                  0
                                  Тут на днях видел рентген на про-ве электроники. Было озвучено что, новая модель -«нанофокусный» источник. Можете как то прокомментировать, распространенность, применение пятно? И еще — во многих (а так ли это?!) рентгенах (для электроники) источник сверху. У Вас снизу — почему сделан такой выбор?
                                    0
                                    Нанофокусные источники существуют, обычно они могут на низкой мощности порядка 1Вт обеспечить пятно 700-900 нм, соответственно достигнуть более высокого разрешения для рентген прозрачных объектов.
                                    Если объект поплотнее (корпуса, СВЧ) — такой малой мощности уже недостаточно и источник переключается в микрофокусный режим. Прямя зависимость — размер фокуса/мощность.
                                    Расположение источника внизу или вверху — на откуп конструктору. Нам удобнее внизу.
                                    0

                                    Я правильно понимаю, что оптическая схема безлинзовая?

                                      0
                                      Для плоскопанельных детекторов использование объективов не актуально, если я правильно понял ваш вопрос
                                        0

                                        Да, я об этом. А в чём отличие плоскопанельного детектора от обычной матрицы камеры?
                                        PS для единичного изделия оптику даже под рентген можно собрать недорого из б/у деталей 40-70х годов выпуска, когда рентгеновская микроскопия переживала расцвет, но в серии она будет как чугунный мост.

                                          0
                                          Тракт оптика-ПЗС/КМОП матрица громоздкий, плюс геометрические искажения от оптики. Он использовался ранее, так как не было сенсорных панелей большого размера. Сейчас технологии позволяют делать сенсор до 430х430 мм с пикселем 140 мкм (TFT) или до 120х150 мм с пикселем 50 мкм (КМОП)
                                            0

                                            А какая наименьшая желаемая разрешимая деталь по реальному линейному размеру? Пятидесятимикронный пиксел — это много, по идее должно здорово снижать разрешение.

                                              0
                                              50 мкм сейчас топ для плоскопанельных детекторов, этого хватает за глаза, остальное вытягивает микрофокус.
                                              Есть стандарт по рентгеновскому контролю в промышленности ГОСТ 17636-2 (сварка, отливки) — там прописан максимально возможный уровень пространственного разрешения как раз на 50 мкм.
                                              Если же нет необходимости делать контроль большого объекта — уже используются классические ПЗС/КМОП научные камеры с люминофором, широкоформатный сенсор 24х36 мм или менее. Планировал написать статью по разработке/миграции такого проекта
                                                0
                                                50 мкм сейчас топ для плоскопанельных детекторов, этого хватает за глаза, остальное вытягивает микрофокус

                                                Не буду занудничать, вам хватает — это главное :)


                                                Если же нет необходимости делать контроль большого объекта — уже используются классические ПЗС/КМОП научные камеры с люминофором, широкоформатный сенсор 24х36 мм или менее

                                                Кстати, поле зрения не так важно. С такими короткими выдержками можно писать фактически видео при перемещении объекта относительно камеры с постоянной скоростью. потом компенсация смаза и image stitching.

                                    Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                    Самое читаемое