Об этом не принято говорить много и вслух, но наряду с разработкой электронного оборудования всегда существовал и процесс копирования, или, как принято его сейчас называть — реинжиниринг, или обратный инжиниринг.
Между терминами reengineering и reverse engineering есть существенное различие на семантическом уровне. Поскольку первое предполагает изучение готового изделия с целью его усовершенствования, то есть фактически продолжение процесса разработки, в то время как второе — это изучение готового изделия вместо разработки. В общем, изначально речь идет о чем-то не очень этичном (или очень неэтичном). Впрочем, мы живем в не слишком совершенном мире, поэтому примем существование реинжиниринга/обратного инжиниринга как данность. Также, поскольку все чаще процесс копирования электронных узлов (сканирование, «скол») прячут за более благозвучным термином «реинжиниринг», будем и мы пользоваться актуальной терминологией.
Несколько слов об обратном инжиниринге
Если задаться такой целью, то первые ростки реинжиниринга можно разыскать чуть ли не в плиоцене, когда первые люди «умелые» (Homo Habilis) перенимали друг у друга «технологии» изготовления первых каменных орудий. Прошло каких-то 2,5 млн лет, и при любой возможности Homo Sapiens копируют все, что только можно, в том числе и в электронике (а может, и в первую очередь именно в электронике).
Сейчас реинжиниринг широко используется во всех сегментах электронной отрасли. Для коммерческих разработок реинжиниринг позволяет быстро и без значительных затрат скопировать удачную разработку конкурентов (рис. 1), чтобы предложить рынку собственную идентичную, или улучшенную (в этом случае речь идет о комбинации «обратный инжиниринг + реинжиниринг»). В случае критически важных разработок, связанных с безопасностью, обратный инжиниринг позволяет изучать возможности потенциальных (или реальных) противников, выявлять и быстрее преодолевать технологическое отставание от них.
В любом случае реинжиниринг электронных узлов позволяет достичь большего с меньшими затратами ресурсов (времени и денег). Существуют разные оценки значимости различных этапов производства электронного узла. По оценке NCAB Group (один из ведущих мировых производителей печатных плат), основными этапами, которые влияют на стоимость электронного узла, считаются этапы разработки концепции/идеи конечного изделия, разработки механической и электрической части и конструкторские работы (рис. 2). Влияние собственно производственной части цепочки, контрактного производства и производства печатных плат не превышает 10–20% (речь идет не об абсолютной стоимости, а о возможности влиять на стоимость конечного изделия, сэкономить или, наоборот, выйти из бюджета). Поэтому задача вовремя и качественно «стащить» удачный дизайн другого производителя может стать важным шагом как к рыночному успеху (в коммерческой плоскости), так и к вопросам безопасности (в случае реинжиниринга продукции специального назначения).
В целом среди целей реинжиниринга можно выделить следующие:
- изучение принципов работы и схемотехнических решений;
- анализ стоимости компонентов;
- выявление аппаратных «закладок» и незадокументированных возможностей;
- восстановление утраченной конструкторской документации;
- подготовка сервисной документации;
- обеспечение совместимости между соединительными модулями;
- контроль соответствия предоставленной конструкторской документации.
Результатом реинжиниринга в идеале должно быть воспроизведение принципиальной схемы, перечень электронных компонентов (спецификация), трассировка печатной платы (по слоям) и при необходимости воспроизведение проекта в Altium или другом ПО.
Обратный инжиниринг простых топологий сейчас приобрел довольно большой масштаб, существуют специализированные программные комплексы, которые позволяют автоматизировать процесс копирования (рис. 3), а также специализированные фирмы и отдельные специалисты, которые не гнушаются делать это на заказ. Более того, появилась профессия реверс-инженера и контрактные услуги PCB Reverse Engineering Services — немаленький рынок в глобальном разрезе. Впрочем, это по большей части касается однослойных и двухслойных плат.
С многослойными платами ситуация несколько иная. Воспроизвести топологию многослойной платы гораздо сложнее и, как правило, не под силу без дорогостоящего специализированного оборудования. Впрочем, и заинтересованность в реинжиниринге сложных топологий имеют не гаражные фирмы по производству каких-то простеньких преобразователей, а очень серьезные компании и государственные агентства. Так, скажем, несколько лет назад на заседании правительственной комиссии по импортозамещению министр промышленности и торговли одной страны анонсировал создание государственного центра обратного инжиниринга. Понятно, что такая глупость возможна не во всех странах (имеется в виду не создание центра, а распространение информации о таких планах).
Реинжиниринг разделяют на неразрушающий и метод разрушающей декомпозиции. Разрушающие методы, особенно в случаях повышенной плотности трассировки и/или монтажа, не гарантируют получение результата с первой итерации, а потому считаются не слишком прогрессивными. К деструктуризации многослойной платы прибегают, когда неразрушающие методы не дают эффекта. К неразрушающим методам относятся рентгеноскопия (или рентгенография), тепловизионная электротермия, радиосенсорные исследования, лазерное и оптическое сканирование в сочетании с косвенными методами экспертного анализа. Обычно используется комбинация нескольких методов. Наиболее распространенным является рентгеноскопия.
Рентгеноскопия многослойных печатных плат
Рентгеноскопия является действенным методом неразрушающего контроля качества при производстве электронных узлов, впрочем, до недавнего времени несколько экзотическим. Конечно, далеко не каждый производитель может позволить себе инсталляцию довольно сложного и дорогостоящего оборудования и подготовку специалистов для работы с ним. Хотя распространение использования компонентов в форм-факторах BGA, µBGA, Flip Chip и CSP, смонтированных на многослойные печатные платы с внешними экранирующими слоями, снижает эффективность традиционных методов оптического контроля, диагностики и локализации дефектов на производстве. Применение рентгеноскопии в силу необходимости пусть медленно, но приобретает распространение среди производителей электроники. Также рентгеноскопия все чаще становится отдельной услугой в арсенале контрактных производителей.
Абстрагируясь от возможностей рентгеноскопии в разрезе контроля качества (а они велики!), посмотрим, как она используется в реинжиниринге. Большого секрета здесь нет, хотя метод требует прецизионного оборудования и высоких вычислительных мощностей. Поток фотонов электромагнитного излучения формируется в рентгеновской трубке, направляется на исследуемый образец, проходит сквозь него, частично поглощаясь, и попадает на детектор, где преобразуется в цифровое изображение, доступное для анализа качества. За счет перемещения в трех осях формируется массив данных для компьютерной томографии (Нобелевская премия 1979 года). Использование специализированного ПО позволяет с большой точностью сканировать внутренние слои печатных плат, оцифровывать и воспроизводить трассировку (рис. 4), выявлять электрическую связь между проводниками разных слоев, по размеру и форме контактных площадок воспроизводить форм-факторы компонентов и даже (с привлечением аналитических методов) составлять спецификацию.
Сейчас рентгеноскопия считается наиболее точным методом неразрушающего реинжиниринга многослойных плат. Этому способствовала непрерывная эволюция программно-аппаратных средств, которые сегодня достигли невероятных характеристик.
Средства для рентгеноскопии многослойных печатных плат
В мире пока не так уж много производителей специализированного оборудования для рентгеноскопии печатных плат и электронных узлов. Едва ли не самым известным является британская компания DAGE, которая с 2006 года находится в составе американской корпорации Nordson. В номенклатуре Nordson DAGE есть несколько линеек оборудования для рентгеновского контроля (табл.).
| Модель | Quadra 7 | Quadra 5 | Quadra 3 | XD7800NT Ruby XL | Jade Plus | Explorer | Assure Quick Check |
| Тип трубки | NT | NT | NT | NT | Открытая | NT | Нет данных |
| Самый маленький объект распознавания, мкм | 0,1 | 0,35 | 0,95 | 0,5 | 0,95 | 2 | 139 |
| Тип детектора | Плоскопанельный | Плоскопанельный | Плоскопанельный | Плоскопанельный | Плоскопанельный | Плоскопанельный | Плоскопанельный |
| Разрешение детектора, Мп | 6,7 | 3 | 1,4 | 3 | 1,33 | 1,4 | Нет данных |
| Максимальные размеры исследуемого изделия, мм | 510×445 | 510×445 | 510×445 | 1205×672 | 510×445 | 300×300 | 430×430×100 |
| Инспекция под углом | 2×70° | 2×70° | 2×70° | 70° | 2×65° | 2×60° | Нет данных |
| Частота обновления изображения, кадров/с | 30 | 25 | 10 | 25 | 10 | 10 | 1 цикл на 10 с |
| Увеличение (общее), раз | 68 000 | 45 000 | 7500 | 23 400 | 7500 | 400 | Нет данных |
| Компьютерная томография | DAGE μCT (опция) | DAGE μCT (опция) | – | – | – | – | – |
| Программа послойного анализа | XPlane | XPlane | XPlane | XPlane | XPlane | – | – |
| Безопасность (радиация при максимальной мощности), мкЗв/г | <1 | <1 | <1 | <1 | <1 | <1 | <0,5 |
| Воздух | 5–8 бар, сухой воздух | 5–8 бар, сухой воздух | – | 4–6 бар, сухой воздух | – | – | – |
| Электропитание | 200–230 В, 1 кВт | 200–230 В, 1 кВт | 200–230 В, 1 кВт | 200–230 В, 1 кВт | 200–230 В, 1 кВт | 200–230 В, 1 кВт | 110–230 В, 800 Вт |
| Габариты (Ш×Г×В), мм | 1570×1500×1900 | 1500×1500×1900 | 1570×1500×1900 | 2400×1975×2060 | 1450×1700×1970 | 1050×1300×1380 | 760×880×2250 |
| Вес, кг | 1950 | 1950 | 1950 | 3000 | 1950 | 750 | 360 |
Универсальные автоматические системы рентгеновского контроля (Automated Xray Inspection System, AXI) производства Nordson DAGE интересны высоким быстродействием, относительной простотой применения и предлагают пользователю эффективные инструменты не только контроля качества, но и реинжиниринга электронных узлов. В подавляющем большинстве они могут использоваться и как отдельное оборудование, и в составе автоматизированной линии. Специализированное программное обеспечение позволяет поставить инспектирование плат/узлов на поток.
Интересен опыт инспектирования обычной филаментной лампочки на оборудовании Nordson DAGE. Была применена система XD7600NT Ruby FP (рис. 5). На сегодня это далеко не самая новая модель, но и ее возможности впечатляют. Аппарат установлен на кафедре конструирования и производства средств информационной вычислительной техники известного на просторах вузов авиационного направления и применяется для обучения студентов, хотя функционал позволяет использовать его и для более серьезных задач (впрочем, не факт, что не используется). Во время визита на кафедру известного блогера удалось при помощи рентгеноскопии беспроблемно разглядеть посадочные места светодиодов, конструкцию драйвера, место скрутки поврежденного проводника (так, лампочка made in China), найти дефекты пайки (рис. 6). Или это составляло проблемы для системы, способной «рассмотреть» объекты размером 500 нм, с 2‑Мп детектором, 15 600‑кратным увеличением изображений и возможностью вести сканирование со скоростью 25 кадров/с? Странный вопрос. Кстати, этот аппарат, хотя уже и не самый современный, также позволяет выполнять многослойное сканирование в автоматическом режиме и с большим быстродействием с помощью приложения XPlane и строить 3D-модели с программой μCT (микротомография).
а) на каждой нити расположены 28 светодиодов (сами они для рентгеновских лучей почти прозрачные);
б) драйвер как на ладони;
в) поврежден и скручен провод;
г) пустоты в галтелях
Защита от реинжиниринга методом рентгеноскопии
Путей противодействия рентгеноскопии есть несколько, более сложных и простых. Примером простейшего является защитный компаунд с материалами, препятствующий прохождению рентгеновского излучения через печатную плату. Такой материал был недавно представлен британской компанией Electrolube, одним из мировых лидеров по разработке и производству химических материалов для электронной отрасли (рис. 7).
Специализированная защитная двухкомпонентная смесь ER6010 сочетает традиционную механическую маскировку электрической схемы печатной платы и расположенных на ней электронных компонентов с защитой от неразрушающего реинжиниринга методом рентгеноскопии. Компаунд имеет в составе материалы, которые делают его почти непрозрачным при просвечивании рентгеновскими лучами, защищая от инспекции как внешние, так и внутренние слои многослойных плат.
Компаунд ER6010 имеет хорошую текучесть, что позволяет заливать им мелкие и сложные геометрии с плотным прилеганием покрытия к поверхности. Покрытие характеризуется широким температурным диапазоном эксплуатации –40…+160 °C (кратковременно — до +180 °C), что позволяет использовать его в аппаратуре, предназначенной для сложных условий эксплуатации. Также примечательна довольно хорошая теплопроводность (0,53 Вт/м·К) материала. Диэлектрическая прочность ER6010 составляет 12 кВ/мм, удельное объемное сопротивление не менее 1012 Ом·см.
Компаунд довольно устойчив к влаге: поглощение не превышает 0,3% за 10 дней при комнатной температуре и за 1 ч при нагревании до +100 °C.
Смешивание и нанесение ER6010 не требует применения сложных технологий, компаунд не представляет опасности для здоровья работников. Время годности компаунда до нанесения после смешивания компонентов составляет 1 ч, до желеобразного состояния при комнатной температуре компаунд высыхает за 150 мин.
Отверждение компаунда при комнатной температуре требует 24 ч, при температуре +60 °C процесс ускоряется до 3 ч, а при +100 °C полное отверждение требует лишь 30 мин. Твердость отвержденного материала при комнатной температуре — D70.
Целевые применения нового защитного покрытия — военная, медицинская и узкоспециализированная промышленная электроника. Производитель предупреждает, что поставки нового компаунда будут возможны не во все страны.
Вместо выводов
Можно ли защититься от реинжиниринга? И да и нет! Существуют средства защиты или уменьшения эффективности от каждого из методов обратного инжиниринга, как разрушающих, так и неразрушающих. Вопрос в целесообразности привлечения тех или иных средств, ведь каждое из них в той или иной степени усложняет конструкцию и ведет к удорожанию электронного узла. При этом абсолютной гарантии защиты не дает ни одно средство. На каждую лучшую и более сложную защиту есть еще лучшие и более сложные (и более дорогие) методы реинжиниринга. Противостояние меча и щита — старо как мир и, похоже, никогда не прекратится. Задача разработчика по противодействию реинжинирингу — грамотно балансировать задачи целесообразности и стоимости использования средств контринжиниринга.