การวิศวกรรมย้อนกลับ PCB
การวิศวกรรมย้อนกลับของแผงวงจรพิมพ์ (บางครั้งเรียกว่า “การโคลนนิ่ง” หรือ PCB RE) คือกระบวนการสร้างข้อมูลการผลิตและการออกแบบสำหรับแผงวงจรที่มีอยู่ โดยจำลองฟังก์ชันการทำงานอย่างใกล้เคียงหรือเหมือนกันทุกประการ[ 1 ]
การได้รับข้อมูลการออกแบบแผงวงจรไม่จำเป็นต้องเป็นการกระทำที่เป็นอันตรายหรือมีจุดประสงค์เพื่อการขโมยทรัพย์สินทางปัญญาข้อมูลที่สร้างขึ้นในกระบวนการวิศวกรรมย้อนกลับสามารถนำไปใช้ในการแก้ไขปัญหาซ่อมแซม ออกแบบใหม่ และผลิตใหม่ หรือแม้แต่ทดสอบความปลอดภัยของอุปกรณ์ที่จะใช้ในสภาพแวดล้อมที่จำกัด[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]
การใช้งาน
การสนับสนุนผลิตภัณฑ์รุ่นเก่า
ระบบเก่าจำเป็นต้องได้รับการบำรุงรักษาและเปลี่ยนชิ้นส่วนเพื่อให้สามารถใช้งานได้เกินอายุการใช้งานที่กำหนดไว้ ความต้องการชิ้นส่วนที่เลิกผลิตไปแล้วอาจนำไปสู่การขาดแคลนวัสดุ ซึ่งเรียกว่าDMS/ DMSMS
มีความต้องการอย่างมากจนต้องมีการจัดตั้งหน่วยงานภาครัฐขึ้นมาเพื่อควบคุมและวางแผนการล้าสมัยของระบบและชิ้นส่วนเหล่านั้น พื้นที่ที่ได้รับผลกระทบจากการล้าสมัยทางเทคนิคโดยทั่วไป ได้แก่ ระบบควบคุมโรงไฟฟ้า ระบบควบคุมการจราจรทางอากาศและการบิน ระบบการถ่ายภาพทางการแพทย์ และเทคโนโลยีทางการทหารหลายด้าน
มีระบบเก่าจำนวนมากที่พัฒนาขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 70, 80 หรือ 90 ซึ่งผู้ผลิตดั้งเดิมเลิกกิจการไปแล้วหรือไม่มีข้อมูลการออกแบบดั้งเดิมอีกต่อไป แต่อุปกรณ์ดั้งเดิมยังคงใช้งานอยู่ ในหลายกรณี จำเป็นต้องมี รูปแบบ ขนาด และฟังก์ชัน ที่แน่นอน ไม่ว่าจะเป็นเพื่อให้ชิ้นส่วนสามารถ "เชื่อมต่อ" กับโครงสร้างที่มีอยู่ได้อย่างถูกต้อง หรือเพื่อหลีกเลี่ยงข้อกำหนดของการทดสอบที่ใช้เวลานานและมีค่าใช้จ่ายสูง[ 1 ]
สำหรับอุตสาหกรรมที่มีการควบคุมอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อย่างเข้มงวด (เช่น อุตสาหกรรมทหารหรืออวกาศ) แนวทางนี้สามารถลดเวลาที่ใช้ในการผลิตชิ้นส่วนทดแทนสำหรับการซ่อมแซมระบบได้อย่างมาก เนื่องจากคุณสมบัติของชิ้นส่วนใหม่ตรงกับแบบดั้งเดิมทุกประการ จึงไม่จำเป็นต้องผ่านการรับรองและการทดสอบอย่างเข้มงวดเช่นเดียวกับแผงวงจรที่ออกแบบใหม่หรือปรับปรุงใหม่
ตัวอย่างเช่น บริษัทผลิตไฟฟ้าแห่งหนึ่งในฟลอริดาถูกบังคับให้ปิดตัวลงเนื่องจากความล้มเหลวของแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ราคาไม่แพงเพียงแผ่นเดียว ซึ่งไม่มีชิ้นส่วนอะไหล่และไม่มีข้อมูลให้พิมพ์ชิ้นส่วนเหล่านั้น ความล้มเหลวเกิดขึ้นในช่วงชั่วโมงที่มีการใช้งานสูงสุด และไฟฟ้าดับในช่วงเวลานั้นอาจทำให้บริษัทผลิตไฟฟ้าต้องเสียค่าใช้จ่ายหลายพันดอลลาร์ต่อชั่วโมง[ 6 ]
บริษัทวิศวกรรมประสบความสำเร็จในการวิศวกรรมย้อนกลับ PCB เพื่อสร้างสำเนา PCB ที่เหมือนกันทุกประการโดยใช้กระบวนการสร้างภาพและการกัดแบบทำลายล้าง และสถานีไฟฟ้าก็สามารถกลับมาดำเนินการตามปกติได้ในที่สุด[ 7 ] [ 8 ]
การเปรียบเทียบมาตรฐาน
กระบวนการนี้สามารถใช้เพื่อรวบรวม ข้อมูล เปรียบเทียบ ที่สำคัญ เกี่ยวกับผลิตภัณฑ์ที่เพิ่งได้มาใหม่ แผงวงจรพิมพ์ต้นแบบ หรือแผงวงจรใดๆ ที่บริษัทไม่ได้เป็นเจ้าของ ตัวอย่างเช่น การวิเคราะห์ย้อนกลับการประกอบวงจรจะเปิดเผยว่าผู้ผลิตได้ตรงตามข้อกำหนดการออกแบบของแผงวงจรหรือไม่
กระบวนการนี้สามารถใช้ตรวจสอบวงจรปลอมหรือวงจรที่เป็นอันตรายที่ฝังอยู่ใน PCB หรือหากบริษัทซื้อผลิตภัณฑ์ใหม่ ก็สามารถใช้สร้างแผนผังหรือเอกสารอื่นๆ ที่อาจไม่ได้รวมมากับผลิตภัณฑ์ได้[ 9 ] [ 4 ]
ใช้งานร่วมกับการผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing)
ข้อมูลจากกระบวนการวิศวกรรมย้อนกลับสามารถนำมาใช้ซ่อมแซมหรือพิมพ์แผงวงจรใหม่ได้ทันทีโดยใช้ เทคนิค การผลิตแบบเพิ่มเนื้อวัสดุ (Additive Manufacturing)บนเครื่องพิมพ์ 3 มิติแบบหลายหัว
ในสถานการณ์ที่ทรัพยากรมีจำกัด เช่น บนเรือ เรือดำน้ำ อวกาศ หรือการประจำการล่วงหน้า กระบวนการวิศวกรรมย้อนกลับจะช่วยให้ลูกเรือสามารถบำรุงรักษาอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้โดยไม่ต้องนำชิ้นส่วนอะไหล่ไปด้วย ในสถานการณ์ที่เหมาะสม ลูกเรือจะสามารถเข้าถึงข้อมูลการออกแบบเพื่อใช้กับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ แต่ในกรณีที่ลูกเรือไม่มีข้อมูลที่เหมาะสมสำหรับ PCB พวกเขาจะต้องทำการวิศวกรรมย้อนกลับจากสิ่งประดิษฐ์ที่มีอยู่เพื่อสร้างเพิ่มเติม[ 10 ]
เจตนาร้าย
ข้อมูลจากการวิศวกรรมย้อนกลับสามารถนำไปใช้ด้วยเจตนาที่ดีได้ แต่การลดการขโมยทรัพย์สินทางปัญญาและการรักษาความเป็นส่วนตัวมีความสำคัญมากขึ้นเรื่อยๆ การทำให้ PCB คลุมเครือหรือการซ่อนเจตนาในการประมวลผลเป็นวิธีหนึ่งที่จะช่วยยับยั้งการขโมย[ 11 ]อีกวิธีหนึ่งคือการใช้ฟังก์ชันทางกายภาพที่ไม่สามารถลอกเลียนแบบได้ (PUF) เป็นลายนิ้วมือดิจิทัลบน PCB ของคุณซึ่งเป็นไปไม่ได้ที่จะสร้างใหม่[ 12 ]
วิธีการ
ประเภท
พลังงานทำลายล้าง
Destructive reverse engineering (DRE) is a process where all layers of the board are imaged and subsequently removed by various milling techniques or tools. While it is possible to use nearly any camera or image source for this method, purpose-built RE systems utilize calibrated image sources that allow for extremely accurate reproduction of the design data for the board. This allows an engineer to match the exact form, fit and function of the original PCB. The drawback to this method is that it destroys the PCB. If the data comes from the last remaining circuit card in existence, it cannot be compared to a sample since little or no circuit board remains at the end of the destructive process. Also, care must be taken during the milling process to avoid damaging the copper. If areas of copper are removed before they are imaged, this represents a permanent loss of data which can only be rectified by existing documentation of the PCB, or by reverse engineering a second, identical board.[9]
Non-destructive RE
There is a growing desire and need for non-destructive reverse engineering technology (NDRE), especially in scenarios like the one mentioned above where there is only a single PCB that can be used. Non-destructive PCB RE (NDRE) mean that the circuit board itself is not destroyed in the process; however, most non-destructive techniques require removing components from the surface of the board.
The primary difference between DRE and NDRE methods are in the way that images for the board are captured before new data is generated - in some cases optical images of the top and bottom of the board are captured, then merged with X-ray images of the boards internal layers. Once all images of all of the layers of the board have been captured the process of generating digital manufacturing data is similar to the destructive process.[2][4]
X-ray computed tomography
In recent years, X-ray computed tomography-based imaging processes have advanced to the point that they are able to capture images of the circuit board well enough to isolate individual layers and the features on each of these layers. For simpler boards, X-ray or CT Scans can provide high enough resolution images to reverse engineer a board without requiring the use of destructive milling.
โดยทั่วไป เครื่องสแกน CT ความละเอียดสูงจะจับภาพแผงวงจรในรูปแบบ 2 มิติ โดยปรับมุมและความเข้มของภาพ ภาพที่ได้จะถูกนำมาประกอบกันด้วยคอมพิวเตอร์เป็นแบบจำลองปริมาตร 3 มิติ จากนั้นจึงสามารถแยกภาพของแต่ละชั้นออกมาได้ ขณะนี้กำลังมีการวิจัยเพิ่มเติมเพื่อปรับปรุงกระบวนการสแกน CT การสร้างข้อมูลปริมาตร และการแยกชั้นวงจร
โดยหลักการแล้วกระบวนการนี้ดูค่อนข้างง่าย อย่างไรก็ตามปัญหาบางประการ เช่น ความไม่เรียบของชั้นวงจร ข้อจำกัดด้านความละเอียดและขนาด และสิ่งแปลกปลอมจากรังสีเอกซ์ ทำให้การสกัดภาพวงจรที่ใช้งานได้มีความซับซ้อนมากขึ้น[ 4 ] [ 13 ]
กระบวนการถ่ายภาพด้วยรังสีเอกซ์/CT มีข้อเสียหลายประการ รวมถึงความละเอียด ต้นทุนอุปกรณ์ และการแข็งตัวของลำแสงและสิ่งแปลกปลอมอื่นๆ ของรังสีเอกซ์ที่สามารถบิดเบือนภาพหรือทำให้ยากต่อการใช้งานในกระบวนการวิศวกรรมย้อนกลับ นอกจากนี้ ชิป IC บางตัวอาจเสียหายจากการสัมผัสกับรังสีเอกซ์ที่มีกำลังสูง ดังนั้นจึงต้องถอดชิ้นส่วนออกจากบอร์ดก่อนทำการถ่ายภาพหากต้องการกู้คืนชิ้นส่วนเพื่อนำกลับมาใช้ใหม่[ 4 ]
ข้อเสียอีกประการหนึ่งคือเวลาที่ใช้ในการสร้างภาพที่ใช้ในการสร้างข้อมูลการออกแบบแผงวงจร ในการศึกษาครั้งหนึ่ง ได้ใช้เครื่องเอ็กซ์เรย์ Versa 510 ในการสร้างภาพแผงวงจร 6 ชั้น ซึ่งมีขนาดประมาณ5 นิ้ว × 8 นิ้ว (130 มม. × 200 มม.)โดยการสร้างภาพและการประมวลผลข้อมูลบนคลาวด์ใช้เวลากว่า 18 ชั่วโมงจึงจะเสร็จสมบูรณ์ ในทางกลับกัน การวิศวกรรมย้อนกลับแบบทำลายล้างสามารถสร้างภาพออปติคอลที่มีความละเอียดสูงและปรับเทียบแล้วของแผงวงจร 6 ชั้นเดียวกันได้ภายในเวลาไม่ถึง 2 ชั่วโมงด้วยต้นทุนที่ต่ำมากโดยผู้ปฏิบัติงานที่มีทักษะ[ 4 ]
การทดสอบโพรบบิน
บ่อยครั้งที่ เครื่องทดสอบ หัววัดแบบบินได้ (เครื่อง FPT) สามารถใช้สร้างข้อมูลจากแผงวงจรได้เช่นกัน ซึ่งแตกต่างจากวิธีการทำลายล้าง ตรงที่กระบวนการนี้โดยทั่วไปแล้วสามารถนำแผงวงจรพิมพ์ (PCB) กลับมาใช้ใหม่ได้ แต่ผลลัพธ์เดียวจากกระบวนการนี้คือรายการการเชื่อมต่อระหว่างแผ่นพื้นผิวบนแผงวงจร หรือที่เรียกว่าเน็ตลิสต์
เน็ตลิสต์ขึ้นอยู่กับการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าของ PCB อย่างสมบูรณ์ หาก PCB เกิดความเสียหายหรือแยกชั้นในระหว่างอายุการใช้งาน อาจเป็นไปได้ว่า via barrels หรือลายทองแดงขาด และหากความเสียหายเกิดขึ้นในชั้นภายในของ PCB ผู้ปฏิบัติงาน FPT จะไม่มีทางรู้เกี่ยวกับความเสียหายนั้น เน็ตลิสต์ที่ได้จะสะท้อนถึงการขาดของลาย และไม่ควรนำไปใช้สร้างแผนผังวงจรหรือบอร์ดเพิ่มเติม นอกจากนี้ เน็ตลิสต์ยังเป็นรูปแบบข้อมูลที่ค่อนข้างแคบ ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกเพียงว่าขาของส่วนประกอบต่างๆ เชื่อมต่อกันหรือไม่ ไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับรูปทรงเรขาคณิตภายในของวงจรทองแดง ซึ่งมีความสำคัญต่อการทำงานที่ถูกต้องของวงจรส่งสัญญาณวิทยุ หรือวงจรที่มีการส่งสัญญาณแบบดิฟเฟ อเรนเชียล เป็นไปไม่ได้ที่จะสร้าง PCB ที่เหมือนกันโดยใช้วิธีนี้ ข้อเสียเหล่านี้หมายความว่าวิธีนี้โดยทั่วไปจะสงวนไว้สำหรับการสร้างแผนผังวงจรหรือเพื่อวัตถุประสงค์ในการแก้ไขปัญหาและซ่อมแซม[ 9 ]
ภาพยนตร์
ก่อนยุคดิจิทัลของการประมวลผลและการจัดเก็บข้อมูล นักออกแบบ PCB สร้างและจัดเก็บแบบร่างบน ฟิล์มเขียนแบบ Mylar/BoPETซึ่งใช้ในกระบวนการผลิตแผงวงจร ด้วยแสง ฟิล์มเหล่านี้มักจะเป็นสำเนาเดียวของข้อมูลการออกแบบสำหรับแผงวงจร แม้ว่าการใช้งานหลักคือการผลิต PCB แต่ก็ยังทำหน้าที่เป็นสื่อจัดเก็บข้อมูลของตัวเองด้วย ในที่สุดฟิล์มเหล่านี้อาจเสื่อมสภาพไปตามกาลเวลาและการใช้งาน ดังนั้นแบบร่างจะต้องถูกสร้างเป็นภาพและแปลงเป็นรูปแบบเวกเตอร์เพื่อใช้ในการผลิตในอนาคต กระบวนการวิศวกรรมย้อนกลับของชุดฟิล์มโดยประมาณจะเหมือนกับกระบวนการวิศวกรรมย้อนกลับของ PCB กล่าวคือ แต่ละชั้นจะถูกสร้างเป็นภาพ และ สร้างข้อมูล Gerber /เวกเตอร์สำหรับชั้นวงจรต่างๆ[ 1 ]
ผลลัพธ์สุดท้ายและการผลิตซ้ำ
ไม่ว่าการวิศวกรรมย้อนกลับแผงวงจรจะใช้วิธีการทำลายหรือไม่ทำลาย ผลลัพธ์ที่ได้ก็คือเน็ตลิสต์ แม้ว่าเน็ตลิสต์นั้นจะไม่สามารถนำไปใช้สร้างชิ้นส่วนทดแทนที่เหมือนกันทุกประการได้ แต่ก็สามารถนำไปใช้สร้างข้อมูลสนับสนุนสำหรับแผงวงจร เช่น แผนผังวงจรได้ ในขณะที่เน็ตลิสต์เป็นไฟล์ข้อความ ASCII ที่แสดงรายการการเชื่อมต่อทั้งหมดของแผงวงจร แผนผังวงจร PCB จะแสดงข้อมูลเดียวกันในรูปแบบที่มองเห็นได้ชัดเจนกว่า
นอกจากนี้ แผนผังวงจรยังสามารถรวมเข้ากับรายการวัสดุ (BOM) และ ข้อมูล การเลือกและวาง ชิ้นส่วน เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการใช้งานในสถานการณ์การแก้ไขปัญหา หรือสามารถใช้เป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบ PCB ใหม่ทั้งหมด หากมีการใช้กระบวนการวิศวกรรมย้อนกลับแบบทำลายล้าง หรือมีการถ่ายภาพทุกชั้นของ PCB โดยใช้การถ่ายภาพด้วยรังสีเอกซ์ ข้อมูลที่ได้ควรประกอบด้วยไม่เพียงแค่เน็ตลิสต์ BOM และ/หรือแผนผังวงจรเท่านั้น แต่ยังรวมถึงเค้าโครงกราฟิกที่สมบูรณ์ของชั้นทองแดงของบอร์ดด้วย ข้อมูลนี้สามารถแสดงได้ในรูปแบบต่างๆ มากมาย แต่รูปแบบข้อมูลที่พบบ่อยที่สุดที่สร้างขึ้นในกระบวนการวิศวกรรมย้อนกลับ ได้แก่ รูปแบบต่อไปนี้:
- เลเยอร์วงจร ( Gerber RS274x , IPC-2581หรือODB++ )
- ไฟล์สำหรับตัดแผ่น ปิดรอยบัดกรีและแผ่นวางบัดกรี/แม่แบบ (Gerber RS274x)
- ไฟล์ดอกสว่าน ( Excellon II / ASCIIและ/หรือ Gerber RS274x)
- รูทะลุแบบชุบและไม่ชุบ ( Excellon II /ASCII)
- ดอกสว่านแบบฝัง/ซ่อนสำหรับแต่ละชั้น (Excellon II/ASCII)
- ข้อมูลจุดศูนย์กลาง/ตำแหน่งการวางชิ้นส่วน (ASCII) และแผนผังขาของชิ้นส่วน
- รายการเน็ตลิสต์ของส่วนประกอบ ( IPC-D-356 /ASCII)
- รายการวัสดุ (สเปรดชีต)
- แผนผัง (PDF, Cadence Allegro, OrCAD, Altium, PADS และรูปแบบกรรมสิทธิ์อื่นๆ ที่มีให้ใช้งานทั่วไป) [ 9 ] [ 1 ]
ข้อมูลที่ได้จากกระบวนการวิศวกรรมย้อนกลับสามารถส่งไปยังผู้ผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เพื่อใช้ในการผลิตแผงวงจรพิมพ์จำลอง/"ลอกเลียนแบบ" หรือใช้ในการจัดทำเอกสารประกอบได้ทันที