Remote Laser Faults Injection During Pandemic | Ledger

Återutgiven av Platon

anhängare: 0

Det här korta inlägget beskriver några laserstationsförbättringar som vi gjorde för att kunna köra våra experiment på distans.

Installationsproblem

Vår laserfelsinjektionsplattform är gjord av ett mikroskop som används för att fokusera en laserkälla ner till en enhet som testas. Den är utrustad med en infraröd kamera för att observera den interna arkitekturen för det riktade chippet och justera laserstrålens form. Lyckligtvis är den utrustad med ett motoriserat steg som gör det möjligt att flytta laserstrålen över chipet från vår anpassade mjukvaruapplikation. Alla verktyg vi utvecklat körs på operativsystemet Linux, och det är därför möjligt att använda dem via en SSH-anslutning, förutsatt att du har bra internetuppkoppling. Vi stötte på några latensproblem som handlade om mikroskopkamerans livebild, som vi snabbt löste genom att aktivera SSH-komprimeringsalternativet (-C) som inte är aktiverat som standard och avsevärt minskar den erforderliga strömningsbandbredden. Icke desto mindre krävde vissa element vid den tidpunkten fortfarande in situ intervention:

Styrning av kameraljuskällan: en dedikerad utrustning ger infrarött ljus för att lysa upp chippet för kameravisualisering.
Öppna eller stänga den mekaniska kameraslutaren: denna slutare är en del av mikroskopet och måste stängas när lasern används.
Byte av mikroskopobjektiv: 4 olika optiska objektiv är monterade på ett mekaniskt roterande torn och tillåter olika mikroskopförstoringar.

Nedan är detaljerat hur vi anpassade vår testbänk för att fjärrstyra slutaren och ljuskällan. Framför allt ville vi begränsa kostnaderna för dessa anpassningar och göra det tillgängligt så snart som möjligt.

Styra ljuskällan

Halvledares kiselsubstrat är halvtransparent för infrarött ljus, och med en infraröd kamera är det därför möjligt att observera kretsarnas interna struktur. För att göra observationen möjlig måste kretsen vara belyst med en infraröd ljuskälla. Vårt lasermikroskop levererades med en dedikerad ljuskälla utrustning, en Hayashi LA-150CE, som har en strömbrytare och en ratt för att justera ljusintensiteten, som visas nedan. När en lasertestkampanj startas stänger vi vanligtvis av ljuskällan eftersom det kan störa komponenterna, speciellt när proverna tunnas ut.

När vi tittade på baksidan av utrustningen hittade vi en "fjärr"-omkopplare och en extern kontakt var tillgänglig. Vi förstod att den här ljuskällan erbjuder fjärrstyrningskapacitet genom en kontakt från det senaste årtusendet. Lite dokumentation kan hittas på webben, men vi identifierade i en Hayashi-katalog att det finns en LAN kontrollenhet kompatibel med denna ljuskälla. Denna produkt har dock utgått. Dessutom är LAN-anslutning inte särskilt bekväm. I samma katalog hittade vi specifikationen för kontakten till ljuskällan. Även om det inte är särskilt detaljerat räckte det för att testa detta.

Fjärrkontroll pinout från Hayashi produktkatalog:

Det här gränssnittet har två intressanta huvudfunktioner:

Digitala stift 1 och 8 kan användas för att sätta på och stänga av lampan genom att kortsluta dem eller inte. Stift 8 är faktiskt marken, så bara stift 1 är verkligen relevant.
Det analoga stiftet 2 styr ljusintensiteten med en signal som sträcker sig från 0 V (minsta intensitet) till 5 V (maximal intensitet). När fjärrläget är aktiverat förbikopplas frontpanelens potentiometer och ljusintensiteten styrs direkt av detta stift.

Vi bestämde oss för att bygga vårt eget från grunden Hayashi Light Fjärrkontroll med hjälp av följande delar:

En STM32 mikrokontroller för att vara värd för den inbäddade applikationskoden,
En FT232 USB-till-seriell omvandlare för att möjliggöra styrning av dongeln från USB,
En AD5621B digital-till-analog-omvandlare för 0 till 5V analog signalgenerering för att styra ljusintensiteten.

Vi designade PCB med hjälp av kicad. För att vara ärlig kan den här designen vara lite överdimensionerad: mikrokontrollern är för stor för det aktuella behovet, och FT232 kan tas bort eftersom STM32-enheter redan har USB-kapacitet, på bekostnad av tid för mjukvaruutveckling. Vårt mål var att göra det snabbt och smutsigt och återanvända några av våra redan designade scheman.

För skojs skull, och eftersom vi tror att detta är ett mycket lovande språk, utvecklade vi mikrokontrollerns firmware i Rust.

Vi designade äntligen ett enkelt plasthölje med hjälp av FreeCAD, och tryckte den med skulptera.

Oväntat var den svåraste delen av detta projekt att identifiera kontakten (referens 5710140 från Amphenol för den manliga sidan), och även köpa den eftersom den är föråldrad och inte säljs längre av många leverantörer. Delleverantörens sökmotor Octopart kan hjälpa till.

Alla scheman och designfiler finns tillgängliga på vår GitHub repository.

Styr kameraslutaren

I mikroskopet delar laserstrålen och kameran samma optiska väg. När lasern fotograferar reflekteras en bråkdel av ljuset av kislet och träffar kameran. För att förhindra sensorskador som kan resultera på lång sikt i döda pixlar, kan en optisk mekanisk slutare framför kameran stängas. Slutaren är manuell och kräver liten eller ingen kraft för att aktiveras.

För att möjliggöra fjärrstyrning köpte vi en liten stegmotor och en TIC T834 Steg Motor Controller från Polulu. Vi utvecklade och skrev ut 3D-växlar och en kropp som ska monteras på mikroskopet, för att kunna flytta slutaren med motorn.

TIC T834 kräver en strömkälla för att ge energi till motorn, men eftersom vår motor inte drar mycket ström kortsluter vi USB-strömförsörjningen till T834 för att också driva motorn. TIC-styrenheter är mycket enkla att installera och använda, det är väldokumenterat och det tog oss väldigt lite tid att styra motorn från våra mjukvaruverktyg. Vi utvecklade en liten kontrollerklass i Python som nu är integrerad i vår pystages bibliotek.

Stegmotorstyrenheter måste ta reda på motorns aktuella position när den slås på. Detta görs med en initialiseringsprocedur där motorn snurrar tills en kontaktomkopplare talar om för styrenheten att motorn är i nollläget. Vi använde en enkel switch direkt kopplad till T834 som har denna funktion inbyggd.

3D-kroppsdelen vi skrev ut var inte särskilt exakt och de två växlarna fungerade inte korrekt vid första gången. Med hjälp av värme kunde vi böja plastdelen något för att korrigera gapet mellan kugghjulen. Efter några justeringar kunde vi fjärröppna och stänga kameraslutaren perfekt!

Slutaren i aktion

Mekanisk design finns på vår GitHub repository.

Avslutande tankar

Genom att integrera kontrollen av ljuskällan och kameraslutaren kunde vi köra många lasertestkampanjer på distans. Det är också bekvämare än tidigare, eftersom att stänga slutaren och stänga av ljuset nu kan göras automatiskt när lasern slås på, medan det tidigare krävde mänskligt fysiskt ingripande och lätt kunde glömmas bort.

När det gäller kontrollen av måltornet finns det redan motoriserade torn, men tyvärr är de ganska dyra och det kan vara svårt att byta ut. För tillfället hittade vi ingen enkel och billig lösning. Att rotera tornet med en extern motor är svårt, särskilt eftersom det finns en fjäder som låser tornet på plats när objektivet är inriktat mot mikroskopet. Vikten vi kan lägga till den motoriserade scenen är också begränsad. Detta är fortfarande ett öppet problem för tillfället, men det hindrar inte att arbeta på distans, vi är bara begränsade till en vald förstoring.

Slutligen, att ersätta provet när det är trasigt kräver fortfarande tillgång till labbet. Som tur är händer det inte för ofta. Vi kan så småningom multiplexa många kretsar på ett enda dotterkort, så att vi kan bränna några enheter innan vi behöver bytas ut, men vi har inte utvecklat en sådan lösning.