Injection de défauts laser à distance pendant la pandémie | registre

Injection de défauts laser à distance pendant la pandémie | registre

Horodatage: 16 mai 2023 12:27
Nœud source: 2657380

Ce court article décrit certaines améliorations de la station laser que nous avons apportées pour pouvoir exécuter nos expériences à distance.

Problèmes de configuration

Notre plate-forme d'injection de fautes laser est constituée d'un microscope utilisé pour focaliser une source laser jusqu'à un appareil sous test. Il est équipé d'une caméra infrarouge pour observer l'architecture interne de la puce ciblée, et ajuster la forme du faisceau laser. Heureusement, il est équipé d'une platine motorisée qui permet de déplacer le faisceau laser sur la puce depuis notre application logicielle personnalisée. Tous les outils que nous avons développés fonctionnent sur le système d'exploitation Linux, et il est donc possible de les utiliser via une connexion SSH, à condition d'avoir une bonne connexion internet. Nous avons rencontré des problèmes de latence concernant l'image en direct de la caméra du microscope, que nous avons rapidement résolus en activant l'option de compression SSH (-C) qui n'est pas activé par défaut et réduit considérablement la bande passante de streaming requise. Néanmoins, à l'époque, certains éléments nécessitaient encore une intervention in situ :

  • Contrôle de la source lumineuse de la caméra : un équipement dédié fournit une lumière infrarouge pour éclairer la puce pour la visualisation de la caméra.
  • Ouverture ou fermeture de l'obturateur mécanique de la caméra : cet obturateur fait partie du microscope et doit être fermé lors de l'utilisation du laser.
  • Changement d'objectif du microscope : 4 objectifs optiques différents sont montés sur une tourelle rotative mécanique et permettent différents grossissements du microscope.

Ci-dessous est détaillé comment nous avons personnalisé notre banc d'essai pour contrôler à distance l'obturateur et la source lumineuse. Nous souhaitions notamment limiter le coût de ces adaptations, et les rendre disponibles le plus rapidement possible.

Contrôle de la source lumineuse

Le substrat de silicium des semi-conducteurs est semi-transparent à la lumière infrarouge, et avec une caméra infrarouge, il est donc possible d'observer la structure interne des circuits. Pour rendre l'observation possible, le circuit doit être éclairé par une source de lumière infrarouge. Notre microscope laser a été livré avec un équipement de source lumineuse dédié, un Hayashi LA-150CE, qui a un interrupteur d'alimentation et un bouton pour régler l'intensité lumineuse, comme illustré ci-dessous. Lorsqu'une campagne de test laser est lancée, nous éteignons généralement la source lumineuse car elle peut interférer avec les composants, en particulier lorsque les échantillons sont amincis.

En regardant à l'arrière de l'équipement, nous avons constaté qu'un interrupteur "à distance" et un connecteur externe étaient disponibles. Nous avons compris que cette source de lumière offre une capacité de contrôle à distance via un connecteur du millénaire passé. Peu de documentation peut être trouvée sur le web, mais nous avons identifié dans un catalogue Hayashi qu'il existe un Unité de contrôle LAN compatible avec cette source lumineuse. Cependant ce produit est discontinué. De plus, la connectivité LAN n'est pas très pratique. Dans le même catalogue, nous avons trouvé la spécification du connecteur de la source lumineuse. Bien que ce ne soit pas très détaillé, il suffisait de l'essayer.

Brochage de la télécommande du catalogue de produits Hayashi:

Cette interface propose deux principales fonctionnalités intéressantes :

  • Les broches numériques 1 et 8 peuvent être utilisées pour allumer et éteindre la lampe en les court-circuitant ou non. La broche 8 est en fait la masse, donc seule la broche 1 est vraiment pertinente.
  • La broche analogique 2 contrôle l'intensité lumineuse avec un signal allant de 0 V (intensité minimale) à 5 V (intensité maximale). Lorsque le mode à distance est activé, le potentiomètre du panneau avant est contourné et l'intensité lumineuse est directement contrôlée par cette broche.

Nous avons décidé de construire à partir de zéro notre propre Télécommande Hayashi Light en utilisant les pièces suivantes :

  • Un microcontrôleur STM32 pour héberger le code applicatif embarqué,
  • Un convertisseur USB-série FT232 pour permettre le contrôle du dongle depuis l'USB,
  • Un convertisseur numérique-analogique AD5621B pour la génération de signaux analogiques de 0 à 5 V afin de contrôler l'intensité lumineuse.

Nous avons conçu le PCB en utilisant KiCad. Pour être honnête, cette conception est peut-être un peu surdimensionnée : le microcontrôleur est trop gros pour le besoin actuel, et le FT232 peut être retiré puisque les appareils STM32 ont déjà des capacités USB, au prix du temps de développement logiciel. Notre objectif était de le rendre rapide et sale et de réutiliser certains de nos schémas déjà conçus.

Pour le plaisir, et parce que nous pensons qu'il s'agit d'un langage très prometteur, nous avons développé le firmware du microcontrôleur en Rust.

Nous avons finalement conçu un boîtier en plastique simple en utilisant FreeCAD, et l'ai imprimé avec Sculpté.

De manière inattendue, la partie la plus difficile de ce projet a été d'identifier le connecteur (référence 5710140 d'Amphenol pour le côté mâle), et aussi de l'acheter car il est obsolète et n'est plus vendu par de nombreux fournisseurs. Le moteur de recherche des fournisseurs de pièces Octopart peut aider.

Tous les schémas et fichiers de conception sont disponibles sur notre GitHub référentiel.

PCB et boîtier
Contrôle de l'obturateur de la caméra

Dans le microscope, le faisceau laser et la caméra partagent le même chemin optique. Lorsque le laser tire, une fraction de la lumière est réfléchie par le silicium et frappe la caméra. Pour éviter d'endommager le capteur qui peut entraîner à long terme des pixels morts, un obturateur optique mécanique devant la caméra peut être fermé. L'obturateur est manuel et ne nécessite que peu ou pas de force pour être actionné.

Pour rendre le contrôle à distance possible, nous avons acheté un petit moteur pas à pas et un Contrôleur de moteur pas à pas TIC T834 de Polulu. Nous avons développé et imprimé des engrenages 3D et un corps à monter sur le microscope, afin de déplacer l'obturateur avec le moteur.

Le TIC T834 nécessite une source d'alimentation pour fournir l'énergie au moteur, mais comme notre moteur ne consomme pas beaucoup de courant, nous avons court-circuité l'alimentation USB du T834 pour alimenter également le moteur. Les contrôleurs TIC sont très faciles à configurer et à utiliser, c'est bien documenté et cela nous a pris très peu de temps pour contrôler le moteur à partir de nos outils logiciels. Nous avons développé une petite classe de contrôleur en Python maintenant intégrée dans notre pystades bibliothèque.

Les contrôleurs de moteur pas à pas doivent connaître la position actuelle du moteur lorsqu'il est sous tension. Cela se fait avec une procédure d'initialisation où le moteur tourne jusqu'à ce qu'un interrupteur de contact indique au contrôleur que le moteur est à la position zéro. Nous avons utilisé un simple commutateur directement connecté au T834 qui a cette fonctionnalité intégrée.

La partie du corps en 3D que nous avons imprimée n'était pas très précise et les deux engrenages ne fonctionnaient pas correctement la première fois. En utilisant la chaleur, nous pourrions légèrement plier la pièce en plastique pour corriger l'écart entre les engrenages. Après quelques ajustements, nous avons pu ouvrir et fermer parfaitement à distance l'obturateur de l'appareil photo !

Obturateur en action

La conception mécanique est disponible sur notre GitHub référentiel.

Réflexions finales

L'intégration du contrôle de la source lumineuse et de l'obturateur de la caméra nous a permis de mener de nombreuses campagnes de tests laser à distance. C'est aussi plus pratique qu'auparavant, car la fermeture de l'obturateur et l'extinction de la lumière peuvent maintenant se faire automatiquement lorsque le laser est allumé, alors que cela nécessitait auparavant une intervention physique humaine et pouvait être facilement oublié.

Concernant le contrôle de la tourelle d'objectifs, il existe déjà des tourelles motorisées, mais malheureusement elles sont assez chères, et il peut être délicat de les remplacer. Pour le moment, nous n'avons pas trouvé de solution simple et peu coûteuse. Faire tourner la tourelle avec un moteur externe est difficile, surtout parce qu'il y a un ressort qui verrouille la tourelle en place lorsque l'objectif est aligné sur le microscope. De plus, le poids que nous pouvons ajouter à la platine motorisée est limité. C'est encore un problème ouvert pour le moment, mais cela n'empêche pas de travailler à distance, nous sommes juste limités à un grossissement choisi.

Enfin, le remplacement de l'échantillon lorsqu'il est cassé nécessite toujours l'accès au laboratoire. Heureusement, cela n'arrive pas trop souvent. Nous pouvons éventuellement multiplexer de nombreux circuits sur une seule carte fille, afin de pouvoir graver quelques appareils avant de devoir les remplacer physiquement, mais nous n'avons pas développé une telle solution.

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