PCB reverse engineering

Underhåll och reparation av äldre system kan vara svårt på grund av inkurans

Omvänd konstruktion av tryckta kretskort (ibland kallad "kloning" eller PCB RE) är processen att generera tillverknings- och designdata för ett befintligt kretskort, antingen nära eller exakt replikera dess funktionalitet.

Att erhålla kretskortsdesigndata är inte nödvändigtvis skadligt eller syftar till stöld av immateriell egendom . Data som genereras i den omvända konstruktionsprocessen kan användas för felsökning, reparation, omdesign och omtillverkning, eller till och med testning av säkerheten för en enhet som ska användas i en begränsad miljö.

Används

Äldre produktsupport

Äldre system behöver underhåll och ersättningsdelar för att fungera över sin avsedda livscykel. Efterfrågan på delar som inte längre tillverkas kan leda till materialbrist på delar, så kallat DMS/DMSMS .

Det finns en stor efterfrågan på att hela regeringsavdelningar har skapats för att reglera och planera inkuransen av dessa system och delar. Områden som vanligtvis påverkas av teknisk föråldrad inkluderar kraftverkskontroller, ATC- och flygkontroller, medicinska bildsystem och många aspekter av militär teknologi.

Det finns många äldre system utvecklade på 70-, 80- eller 90-talen vars originaltillverkare inte längre är verksamma eller inte längre har de ursprungliga designdata, men vars originalutrustning fortfarande används. I många fall krävs exakt form, passform och funktion , antingen så att delar kan "handskaka" ordentligt med det befintliga ramverket, eller för att undvika krav på tidskrävande och kostsamma tester.

För industrier med mycket reglerad elektronik, (som militär eller rymd) kan detta tillvägagångssätt avsevärt minska tiden som krävs för att tillverka reservdelar för systemreparationer, eftersom den nya delens specifikationer exakt matchar den ursprungliga designen och därför inte behöver genomgå samma nivå av rigorös omcertifiering och testning som skulle krävas av ett nykonstruerat eller reviderat kretskort.

Till exempel tvingades ett kraftbolag i Florida stänga ner på grund av fel på ett enda, billigt kretskort, som inte hade några reservdelar och ingen tillgänglig data för att skriva ut dem. Felet inträffade under rusningstid, och ett strömavbrott vid den tiden kan kosta ett kraftbolag tusentals dollar i timmen.

En ingenjörsfirma har framgångsrikt omvänt kretskortet för att generera en exakt kopia av kretskortet med hjälp av den destruktiva avbildnings- och fräsningsprocessen, och kraftverket kunde därefter återuppta normal drift.

Benchmarking

Processen kan användas för att tillhandahålla viktig benchmarkinginformation om nyförvärvade produkter, prototyper av kretskort eller andra kretskort som företaget inte äger. Omvänd konstruktion av en kretsenhet avslöjar till exempel om tillverkaren har matchat kortets designspecifikationer eller inte.

Processen kan användas för att inspektera för förfalskade eller skadliga kretsar inbäddade i ett PCB, eller, om en ny produkt har köpts av ett företag, för att skapa scheman eller annan dokumentation som kanske inte har medföljt produkten.

Använd med additiv tillverkning

Data från den omvända konstruktionsprocessen kan användas för att omedelbart reparera eller skriva om ett kretskort med hjälp av additiv tillverkningsteknik på flerhuvudena 3D-skrivare.

I situationer där resurserna är begränsade som på ett fartyg, ubåt, rymd eller framåt, kan den omvända konstruktionsprocessen göra det möjligt för en besättning att underhålla elektronikutrustning utan att behöva ta med reservdelar. I ett idealiskt scenario skulle besättningen ha tillgång till designdata att använda med 3D-skrivaren, men i händelse av att besättningen inte hade rätt data för kretskorten, skulle de behöva omvända konstruktionen av artefakten för att skapa mer .

Metoder

Typer

Destruktiv RE

Destructive reverse engineering (DRE) är en process där alla lager av skivan avbildas och sedan tas bort med olika frästekniker eller verktyg. Även om det är möjligt att använda nästan vilken kamera eller bildkälla som helst för denna metod, använder specialbyggda RE-system kalibrerade bildkällor som möjliggör extremt exakt återgivning av designdata för kortet. Detta gör att en ingenjör kan matcha den exakta formen, passformen och funktionen hos det ursprungliga kretskortet. Nackdelen med denna metod är att den förstör PCB:n. Om data kommer från det sista kvarvarande kretskortet som finns, kan det inte jämföras med ett prov eftersom lite eller inget kretskort finns kvar i slutet av den destruktiva processen. Dessutom måste försiktighet iakttas under fräsningsprocessen för att undvika att skada kopparn. Om delar av koppar tas bort innan de avbildas, representerar detta en permanent förlust av data som endast kan åtgärdas genom befintlig dokumentation av kretskortet, eller genom reverse engineering av ett andra, identiskt kort.

Icke-förstörande RE

Ett fotografi av ett kretskort

En röntgenbild av samma kretskort.

Det finns ett växande önskemål och behov av icke-förstörande reverse engineering-teknologi (NDRE), särskilt i scenarier som det som nämns ovan där det bara finns ett enda PCB som kan användas. Icke-förstörande PCB RE (NDRE) innebär att själva kretskortet inte förstörs i processen; dock kräver de flesta oförstörande tekniker att komponenter tas bort från ytan på skivan.

Den primära skillnaden mellan DRE- och NDRE-metoder är det sätt att bilder för kortet fångas innan ny data genereras - i vissa fall tas optiska bilder av toppen och botten av kortet, och slås sedan samman med röntgenbilder av kortet. brädor inre lager. När alla bilder av alla lager på tavlan har tagits liknar processen att generera digital tillverkningsdata den destruktiva processen.

Röntgen datortomografi

En datortomografi av en webbkamera visar tydligt spåren av ett PCB

Under de senaste åren har röntgendatortomografibaserade bildbehandlingsprocesser utvecklats till den grad att de kan fånga bilder av kretskortet tillräckligt bra för att isolera enskilda lager och funktionerna på vart och ett av dessa lager. För enklare kort kan röntgen- eller CT-skanningar ge bilder med tillräckligt hög upplösning för att reverse engineering av ett kort utan att behöva använda destruktiv fräsning.

I allmänhet kommer en högupplöst CT-skanningsmaskin att fånga bilder av brädet i 2D-skivor, med varierande vinkel och intensitet. De resulterande bildfångningarna av kortet sätts samman till en 3D-volymetrisk modell, och bilder av varje lager kan sedan extraheras. Ytterligare forskning pågår för närvarande för att förbättra proceduren för CT-skanning, volymetrisk datarekonstruktion och extraktion av kretsskikt.

I princip verkar denna process ganska enkel, men vissa frågor som kretsskiktens icke-planaritet, upplösnings- och storleksbegränsningar och röntgenartefakter komplicerar avsevärt utvinningen av användbara kretsbilder.

Röntgen/CT-avbildningsprocesser lider av många nackdelar, inklusive upplösning, utrustningskostnader och strålhärdning och andra röntgenartefakter som kan förvränga bilder eller göra dem svårare att använda för den omvända konstruktionsprocessen. Dessutom kan vissa IC-chips skadas av exponering för kraftfulla röntgenstrålar, så kortet måste tömmas innan det avbildas om komponenter ska räddas för återanvändning.

En annan nackdel är den tid det tar att skapa bilderna som används för att generera kretskortdesigndata. I en studie användes en Versa 510 röntgenmaskin för att avbilda en 6-lagers skiva, som mätte cirka 5 tum × 8 tum (130 mm × 200 mm) - avbildningen och bearbetningen av molndata tog över 18 timmar att slutföra. Som jämförelse kan destruktiv reverse engineering producera högupplösta, kalibrerade optiska bilder av samma 6-lagers kort på mindre än 2 timmar till mycket låg kostnad av en skicklig operatör.

Flygande sondtest

Ofta kan en Flying Probe- testmaskin (FPT-maskin) också användas för att generera data från ett kretskort. Till skillnad från destruktiva metoder, med denna process kan PCB i allmänhet återanvändas. Men det enda resultatet från denna process är en lista över anslutningar mellan ytkuddar på kortet, även känd som en nätlista .

Nätlistan är helt beroende av kretskortets elektriska anslutning. Om ett PCB har skadats eller delaminerats under dess livscykel är det möjligt att antingen via fat eller kopparspår har gått sönder, och om skadan uppstår på de inre lagren av PCB kommer FPT-operatören att ha inget sätt att veta om skadan. Den resulterande nätlistan kommer att återspegla avbrotten i spåret och bör inte användas för att skapa en schematisk eller ytterligare tavlor. Dessutom är en nätlista ett ganska smalt dataformat som bara ger insikt om huruvida olika komponentstift är anslutna eller inte. Det finns ingen information om kopparkretsarnas interna geometrier, som är avgörande för korrekt funktionalitet hos radiosändande kretsar, eller kretsar med differentiell signalering . Det är omöjligt att skapa en identisk PCB med denna metod. Dessa nackdelar innebär att denna metod i allmänhet är reserverad för att skapa scheman eller för felsökning och reparationsändamål.

Filmer

Före den digitala tidsåldern av databearbetning och lagring skapade och lagrade PCB-designers designen på Mylar/BoPET- ritningsfilmer, som användes i den fotoresistiva tillverkningsprocessen för kretskort . Dessa filmer var ofta den enda kopian av designdata för styrelsen. Medan deras primära användning var vid tillverkning av PCB fungerade de också som sina egna lagringsmedia. I slutändan kan dessa filmer desintegreras med tid och användning, så designen måste avbildas och konverteras till vektorformatering för att kunna användas för framtida tillverkning. Reverse engineering av filmuppsättningar är ungefär samma process som reverse engineering av ett PCB - varje lager avbildas och Gerber /vektordata skapas för de olika kretsskikten.

Slutresultat och reproduktion

Oavsett om brädan är omvänd konstruerad med en destruktiv eller icke-förstörande metod, blir resultatet att en nätlista erhålls. Även om nätlistan i sig inte kan användas för att skapa en identisk ersättning, kan den användas för att generera stödjande data för kortet som ett schema. Medan en netlist är en enkel ASCII-baserad textfil som helt enkelt listar alla anslutningar på kortet, vidarebefordrar en PCB Schematic samma information på ett mer visuellt sätt.

Dessutom kan ett schema slås samman med stycklist (BOM) och komponent Pick and Place -data för att ytterligare förbättra dess användbarhet i felsökningsscenarier, eller kan användas som bas för utformningen av ett helt nytt PCB. Om en destruktiv RE-process har använts eller bilder för alla PCB-lager har tagits med hjälp av röntgenbild, bör de resulterande data inte bara innehålla en nätlista, BOM och/eller Schematisk, utan också en komplett grafisk layout av kopparlagren av styrelsen. Dessa data kan representeras i ett stort antal olika format, men de vanligaste dada-formaten som skapas i den omvända konstruktionsprocessen inkluderar följande:

• Kretsskikt ( Gerber RS274x , IPC-2581 eller ODB++ )
• Lödmask och lödpasta/stencilklippta filer (Gerber RS274x)
• Borrfiler ( Excellon II / ASCII och/eller Gerber RS274x)
• Pläterade och icke pläterade genomgående hål ( Excellon II /ASCII)
• Per-lager blinda/begravda borrar (Excellon II/ASCII)
• Komponent Centroid/Pick-and-place-data (ASCII) och komponentpinouts
• Komponentnätlista ( IPC-D-356 /ASCII)
• BOM (kalkylblad)
• Schema (PDF, Cadence Allegro, OrCAD, Altium, PADS och andra proprietära format som är allmänt tillgängliga)

De data som produceras i den omvända konstruktionsprocessen kan omedelbart skickas till en PCB-tillverkare för tillverkning av replika/"klon" PCB, eller användas för att skapa stöddokument.