Научно-технический прогресс неумолим. Хватает пары лет, чтобы проследить, как быстро увеличиваются потребительские характеристики техники: скорость её работы, объём памяти, время работы на одном заряде аккумуляторной батареи и т. д. Но «идеальное» уменьшение размера электронных компонентов имеет минусы, где главный — нужно спецоборудование для разработки электронной аппаратуры на их основе, её сборки, тестирования.
Незаменимое устройство для этих целей — микроскоп, а точнее, его адаптированная для электронной промышленности версия. В статье рассмотрим общие вопросы применимости цифровых микроскопов в разработке, пайке, контроле электроники.
Время чтения: 12 минут
Микроскоп? Это очень просто!
Техника развивается по олимпийскому лозунгу «быстрее, выше, сильнее». Ведь правда, техника, выпущенная несколько лет назад, сегодня кажется жутко устаревшей. А то, что было «на гребне волны» и сверхпопулярно в недалёкие 1990 — 2000-е годы, сейчас можно лишь поставить в музей. Пользоваться по прямому назначению этим по-хорошему уже нельзя, или если можно, то не хочется.
Увеличиваются тактовые частоты, объёмы памяти, вычислительные мощности, дальности связи и другие параметры. Увеличиваются все характеристики, кроме одной: уменьшается лишь размер техники. Даже молодые люди помнят «бабушкин» телевизор размером с большой ящик весом в два — три десятка килограмм, а перед глазами сегодня стоит «плоский» телевизор, висящий на стене как картина. Уменьшаются габариты и вес электроники в целом, а вместе с ними уменьшается массогабарит каждого компонента, из которого состоит любой электронный прибор, хоть телевизор, хоть любой другой.
На первом фото изображена плата типичного кинескопного телевизора 1990 - 2000-х годов. Видна элементная база того периода развития электроники с преобладанием дискретных выводных компонентов, микросхем в крупных выводных корпусах, массивных трансформаторов.
А на втором фото изображена плата не менее типичного, но достаточно современного телевизора с жидкокристаллическим экраном. Что мы видим? Дискретные компоненты исключительно в исполнении для поверхностного монтажа, корпуса микросхем миниатюрны, отсутствуют крупногабаритные детали. Миниатюризация электронных компонентов, внедрение технологии их поверхностного монтажа и глубокая степень интеграции микросхем помогли снизить размеры с массой техники (следовательно, материалоёмкость со стоимостью), а также повысили её мобильность.
Микроскоп формирует увеличенное изображение печатной платы на экране дисплея и предоставляет инструменты для работы с ним. С цифровым микроскопом легко анализировать множество параметров при проектировании электронной техники; использовать в процессе пайки миниатюрных или сверхминиатюрных электронных компонентов, с которыми без оптического оборудования практически невозможно «сотрудничать»; «приобщать» к работам по выявлению дефектов на печатных платах, возникающих при проектировании или пайке. Таким образом, это незаменимый инструмент как в руках разработчика-любителя, так и для промышленного выпуска электронной техники.
Что такое электронный микроскоп?
Это разновидность оптического прибора, в которой отсутствует окуляр для наблюдения, а вместо него установлена цифровая фото-видеокамера, а также жидкокристаллический дисплей для вывода сформированного изображения. В зависимости от стоимости оптического оборудования, в цифровом микроскопе устанавливают светочувствительные матрицы с дисплеями различного разрешения и частоты кадров, а дисплей бывает встроенным, внешним или вовсе отсутствует (у недорогих моделей изображение выводится с помощью монитора компьютера).
Совершенные модели, называемые промышленными микроскопами, обладают высокой разрешающей способностью светочувствительной матрицы и дисплея (до 4К), увеличенным быстродействием процессорного блока обработки изображения и дополнительными функциями. Например, есть автоматическое распознавание компонентов на картинке, сравнение полученного изображения с эталонным для выявления дефектов, измерение расстояний, углов и т. д.
Явное отличие цифрового микроскопа от оптического — отсутствие окуляра для наблюдения увеличенного изображения.Светочувствительная матрица преобразует оптическое световое излучение в электрический сигнал, который трансформируется из аналоговой формы в цифровую, а затем поступает на вычислительный процессорный блок, обрабатывающий сигнал. Далее сигнал направляется на дисплей для непосредственного отображения и/или на персональный компьютер для показа и дальнейшей обработки.
Отказ от «классической» оптической системы, применяющейся в микроскопах сотни лет, с переходом на электронную обработку изображения привносит немало преимуществ. Главные из них связаны с удобством отображения, хранения, обработки изображений, абсолютно недоступным для оптических устройств:
|
Применение компьютерных технологий обработки изображения облегчает исследовательскую или изыскательскую работу, свойственную этапам разработки и отладки электронной техники. |
|
Современные электронные компоненты поверхностного монтажа пригодны для автоматизированной пайки на станках или же монтажа «вручную» при микроскопии. Цифровой микроскоп помогает на всех этапах пайки миниатюрных компонентов (нанесение флюса или паяльной пасты, установка компонентов и, собственно, запайка) гораздо эффективнее. |
|
Простой визуальный контроль качества паяных соединений через микроскопию уже давно вошёл в практику даже разработчиков-любителей. На этапе контроля качества печатной платы на производстве только цифровой микроскоп даёт возможность оператору максимально применять все современные методы распознавания изображения, позволяя «машинному зрению» производить автоматическую визуальную инспекцию тестируемых плат, что, в свою очередь несёт за собой экономический эффект в виде сокращения расходов благодаря раннему обнаружению повторяющихся дефектов. |
|
Качественный ремонт печатных плат или других узлов электронной техники возможен только с применением цифрового микроскопа, позволяющего делать фотографии или видео для сохранения последовательности сборки/разборки, а также в качестве источника информации о расположении компонентов, их номиналов. Также он будет незаменим при работе с миниатюрными изделиями или устройствами, к примеру, с наручными часами. |
|
Возможность отображения увеличенного изображения на дисплее с большой разрешающей способностью и частотой кадров вкупе с цифровой обработкой позволяет видеть даже миниатюрные компоненты, надписи или особенности платы так, как видели бы их, если бы зрение человека было гораздо острее. Изображение в окуляре принципиально не поддаётся корректировке и «выводится как есть» со всеми присущими сложным оптическим устройствам искажениями. Возможность увидеть увеличенное изображение помимо оператора ещё некоторому кругу лиц, а также поддержка быстрого сохранения фото и видео делают командную работу удобнее. |
|
Возможность отображения увеличенного изображения на дисплее улучшает общую эргономику использования оптического оборудования. Работы с микроскопом в промышленности (разработка электронной техники, пайка и контроль готовых печатных плат) проводятся в течение длительного отрезка времени. Использование микроскопии при исследовании и пайке снижает эргономику рабочего места из-за длительной нагрузки на позвоночник с органами зрения. |
Преимущества цифрового микроскопа в электронике
Главное — это соответствие отраслевым и международным стандартам. При сборке печатных плат важно соблюдать, например, стандарты IPC. Группа стандартов IPC охватывает все проектировочные этапы, сборку печатных плат, она стала общеупотребительной и универсальной для общемировой электронной промышленности. Эти стандарты определяют в том числе кратность увеличения, необходимое для проверки качества работ. Поэтому микроскоп, дающий качественное изображение с требуемым увеличением, — обязательное условие для соответствия стандартам IPC.
Автоматическая фокусировка позволяет работать эффективнее. При фокусировке на оптическом микроскопе оператору нужно настроить один или оба окуляра вручную. Хотя этот процесс недолгий, он может «проглотить» много времени при частой фокусировке.
Все цифровые модели имеют быстродействующую автоматическую фокусировку. Это означает, что прибор самостоятельно фокусируется на исследуемом образце, независимо от вас. Это также означает, что легко держать образец в руках, «вертеть» его во все стороны, увеличивая или уменьшая масштаб без потери фокусировки.
Ещё не нужно недооценивать важность документирования. Независимо от того, работаете ли вы в сфере профессиональной разработки или же собираете печатные платы для собственного использования, документирование нюансов и проблем, возникающих на начальном этапе или в ходе производства, становится всё важнее.
Для этих процессов вам необходим микроскоп, умеющий легко получать и сохранять высококачественные изображения. В этом плане цифровой прибор — незаменимое решение. С ним сделать снимок часто так же просто, как нажать кнопку на блоке управления.
Фотография автоматически сохраняется либо на подключённом съёмном накопителе, либо во внутренней памяти или же передаётся на персональный компьютер. Микроскопы, поддерживающие подключение по локальной сети, дают мгновенный доступ к сохранённым фотографиям или видео с любого компьютера.
Цифровой микроскоп помогает снизить процент брака печатных плат. С его помощью создают не только более комфортную и эргономичную рабочую среду для своих сотрудников. Согласно исследованию, применение цифрового микроскопа и систем оптической инспекции позволяет снизить процент брака из-за неверного подбора электронных компонентов или дефектов пайки вплоть до нуля.
Программное обеспечение делает работу ещё эффективнее. Последнее преимущество микроскопии в электронике, которое мы сейчас рассмотрим, — это широчайшие возможности его ПО. Программы расширяют возможности, помогая:
- Выполнять высокоточные измерения.
- Использовать проекционные дисплеи для проверки размеров и расположения компонентов.
- Использовать возможности быстрого поиска компонентов на плате.
- Сравнивать исследуемые печатные платы с фотографиями эталонов для оперативного выявления отклонений.
Таким образом, использование ПО открывает эффективные, точные способы проверки и ремонта печатных плат. Программы также помогают новым и неопытным сотрудникам увидеть что нужно при знакомстве с печатными платами.
Достоинства и недостатки популярных моделей
Достоинства:
- Высокое разрешение изображения. Разрешение матрицы 28 мегапикселей — это отличный показатель для промышленного микроскопа, позволяющий получать снимки с высокой детализацией.
- HDMI-видео с 60 кадрами/с с минимальной задержкой. Эти характеристики позволяют эффективно использовать прибор для задач, где важна «естественность» изображения (к примеру, пайка).
- Широкий диапазон увеличения, базирующийся на оптическом и цифровом зуме, позволяет гибко настраивать степени увеличения под конкретную задачу.
- Удобство в настройках изображения: наличие ручной/автоматической установки экспозиции, баланса белого, цветовых настроек (RGB) позволяет адаптировать изображение под образцы с различной степенью поглощения/отражения света или условия освещения.
- Регулируемая светодиодная подсветка. Кольцевая светодиодная подсветка с регулировкой яркости — хоть и стандартная, но полезная опция, особенно нужная, когда поверхность исследуемых объектов сильно отражает свет.
- Оптимальное рабочее расстояние: 100 миллиметров между предметным столом и объективом позволяют производить над образцами инструментальную работу с использованием пинцета, зажима, паяльника и т. д.
- Наиболее удобные интерфейсы связи HDMI и USB облегчают подключение к монитору или ПК.
Недостатки:
- Качество оптики немного не «дотягивает» качества матрицы. Несмотря на высокую разрешающую способность матрицы, оптическая система имеет особенности, из-за которых края изображения могут быть слегка размыты, возможны некоторые оптические аберрации, и детализация в целом в центре намного лучше, чем по краям изображения.
- Некоторая «хлипкость» конструкции штатива не подразумевает работу в условиях вибрации и частой переналадки. Перед эксплуатацией желательно протянуть все винтовые соединения.
- Задержка (лаг) при использовании порта USB в качестве канала передачи изображения. Картинка на мониторе «подтормаживает» в отличие от «реальности», что может наложить ограничение на использование при таком способе подключения при работах в режиме реального времени, к примеру, при пайке. При подключении по HDMI задержка отсутствует.
- Светодиодная подсветка вносит искажение в правильное цветовосприятие из-за особенностей спектра своего излучения. Обязательно требуется настройка баланса белого, выполняемая вручную.
Промышленный микроскоп Saike Digital SK2700HDMI-T3 по совокупности характеристик — интересный и продвинутый вариант с глубокими возможностями настройки.
С такими характеристиками прибор популярен в лабораториях, обучающих центрах и, конечно же, в условиях промышленных предприятий, занимающихся разработкой, обслуживанием и ремонтом электронной техники.
Достоинства:
- Высокое разрешение изображения. Физическое разрешение светочувствительной матрицы в 20 мегапикселей обеспечивает чёткое детализированное изображение, что особенно важно при работе с мелкими компонентами.
- Большой встроенный дисплей с диагональю 13.3 дюйма. Встроенный высококачественный дисплей с IPS матрицей обеспечивает комфортный просмотр изображений без искажения цвета.
- Увеличение в диапазоне до 4.6x (оптическое) и до 112x (цифровой зум), позволяет легко адаптировать масштаб.
- Регулируемая светодиодная подсветка. Она даёт равномерное освещение с естественной цветопередачей.
- Интерфейсы HDMI и USB удобнее, так как через легче подключить прибор к монитору или ПК даже неспециалисту. Поддержка карт памяти позволяет оборудованию работать полностью автономно.
Недостатки:
- Отсутствие автофокуса: ручная настройка фокуса может быть неудобна при работе со множеством разнородных образцов, но приемлема при работе с небольшим количеством однотипных, к примеру, при поточном визуальном контроле одинаковых изделий.
- Задержка (лаг) при трансляции видео через USB-подключение. Изображение на дисплее компьютера будет немного отставать от «реальности», а это ограничивает возможности контроля в реальном времени при пайке. При подключении по HDMI задержка отсутствует.
- Ограниченная глубина резкости: при высокой степени увеличения может быть сложно установить оптимальную резкость на всей площади изображения.
Saike Digital SK2700HDMI-T2H6 по совокупности характеристик — профессиональный прибор, применяемый в разных отраслях. Например, в медицине, криминалистике и электронике. Характеристики дают ему потенциал быть полезным инструментом в исследовательских лабораториях, образовательных центрах, и, конечно же, в условиях производств.
Достоинства:
- Оптимальное разрешение изображения. Физическое разрешение светочувствительной матрицы аналоговой камеры компании Samsung формирует детализированное изображение до 1000 ТВ-линий в цветном и чёрно-белом режиме, что особенно важно при работе с мелкими компонентами.
- Два сменных объектива с рабочим расстоянием 10/23.6 миллиметра обеспечат отличную степень детализации даже образцов с элементами микрометрического масштаба.
- Оптическое увеличение до 5/10x и цифровой зум до 550/1200, позволяет легко увеличивать изображение под конкретные нужды.
- Регулируемая светодиодная подсветка. Особенно необходима для подсветки образцов с сильно отражающей поверхностью (печатные платы, паяные соединения и подобные). Подсветка создаёт равномерное освещение с естественной цветопередачей.
- Аппаратно-программные инструменты устранения искажений, шумоподавления, дающие в том числе высокую степень стабилизации изображения, позволяют «заглянуть внутрь» даже сложных для исследования образцов, таких как полупроводниковые компоненты, помогая увидеть их топологию с высокой чёткостью.
- Хорошее ПО даёт возможность выполнять высокоточные исследовательские и изыскательские работы, такие как измерения расстояний, углов, построение фигур, установка меток, комментариев, шкал и многие другие.
Недостатки:
- Отсутствие распространённого интерфейса связи, такого как HDMI (только аналоговый коаксиальный) потребует дополнительных блоков сопряжения и работы квалифицированного персонала для подключения и интеграции в общую информационную систему лаборатории или предприятия.
Saike Digital SK-HZM — прецизионный измерительный инструмент для работы в области исследования внутренней структуры технологически сложных образцов, таких как печатные платы, топология полупроводниковых электронных компонентов, для металлографических исследований.
Камера компании Samsung — серьёзное достоинство, но аналоговый способ передачи изображения по коаксиальному подключению и высокая стоимость оборудования накладывает ограничения на применяемость: их выбирают профессиональные и научные лаборатории, занимающиеся микроэлектроникой.
Можно с уверенностью сказать, что человек при всей сложности и функциональности нынешних микроскопов, оптических или электронных, не может «заглянуть внутрь» и увидеть всё то, что так хочется. Допустим, устройство субатомных частиц. Есть некий предел, который фундаментальная наука пока не в состоянии перешагнуть.
Потребуются ещё годы и десятилетия исследований, чтобы была возможность наблюдать столь «крошечные» объекты. Но для нас, занимающихся электроникой, уже давно разработаны и имеются в свободном доступе эффективные оптические «помощники» — микроскопы, позволяющие детально увидеть всё — от топологии полупроводникового компонента до контактных площадок на печатной плате.
Использование цифровых промышленных микроскопов позволит вашему предприятию подойти к делу разработки, сборки и контролю продукции с должным профессионализмом.
