Ingeniería inversa de PCB

Los sistemas heredados necesitan mantenimiento y piezas de repuesto para funcionar más allá de su ciclo de vida previsto. La demanda de piezas que ya no se fabrican puede provocar escasez de materiales, lo que se conoce como DMS/DMSMS .

Existe una gran demanda, por lo que se han creado divisiones gubernamentales enteras para regular y planificar la obsolescencia de estos sistemas y componentes. Entre las áreas comúnmente afectadas por la obsolescencia tecnológica se incluyen los sistemas de control de centrales eléctricas, los controles de control de tráfico aéreo y de aviación, los sistemas de diagnóstico por imagen médica y muchos aspectos de la tecnología militar.

Existen muchos sistemas heredados desarrollados en las décadas de 1970, 1980 o 1990 cuyo fabricante original ya no está en el mercado o no posee los datos de diseño originales, pero cuyo equipo original aún se utiliza. En muchos casos, se requiere una forma, ajuste y funcionamiento exactos , ya sea para que las piezas se integren correctamente con la estructura existente o para evitar pruebas costosas y que consumen mucho tiempo. ^{[ 1 ]}

Para las industrias con componentes electrónicos altamente regulados (como la militar o la aeroespacial), este enfoque puede reducir enormemente el tiempo necesario para fabricar piezas de repuesto para la reparación de sistemas, ya que las especificaciones de la nueva pieza coinciden exactamente con el diseño original y, por lo tanto, no necesitan someterse al mismo nivel de rigurosa recertificación y pruebas que se requeriría para una placa de circuito de nuevo diseño o revisada.

Por ejemplo, una compañía eléctrica en Florida se vio obligada a cerrar debido a la falla de una sola placa de circuito impreso (PCB) de bajo costo, para la cual no existían piezas de repuesto ni datos disponibles para imprimirlas. La falla ocurrió durante las horas de mayor consumo, y un corte de energía en ese momento puede costarle a una compañía eléctrica miles de dólares por hora. ^{[ 6 ]}

Una empresa de ingeniería logró realizar ingeniería inversa de la PCB para generar una copia exacta de la misma mediante el proceso de imágenes destructivas y fresado, y posteriormente la central eléctrica pudo reanudar su funcionamiento normal. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

Este proceso puede utilizarse para obtener información comparativa importante sobre productos recién adquiridos, prototipos de placas de circuito impreso o cualquier placa de circuito que la empresa no posea. Por ejemplo, la ingeniería inversa de un ensamblaje de circuito revela si el fabricante ha respetado o no las especificaciones de diseño de la placa.

El proceso puede utilizarse para inspeccionar circuitos falsificados o maliciosos integrados en una PCB o, si una empresa ha adquirido un nuevo producto, para crear esquemas u otra documentación que no se haya incluido con el producto. ^{[ 9 ] [ 4 ]}

Los datos obtenidos del proceso de ingeniería inversa pueden utilizarse para reparar o reimprimir inmediatamente una placa de circuito impreso mediante técnicas de fabricación aditiva en impresoras 3D multicabezal.

En situaciones donde los recursos son limitados, como en un barco, submarino, en el espacio o en un despliegue avanzado, el proceso de ingeniería inversa permite a la tripulación mantener el equipo electrónico sin necesidad de llevar piezas de repuesto. En un escenario ideal, la tripulación tendría acceso a los datos de diseño para usar con la impresora 3D, pero en caso de que no dispusiera de los datos adecuados para las placas de circuito impreso, tendría que aplicar ingeniería inversa al componente existente para crear más. ^{[ 10 ]}

Los datos obtenidos mediante ingeniería inversa pueden tomarse con buenas intenciones, pero mitigar el robo de propiedad intelectual y mantener la privacidad es cada vez más importante. Ofuscar las PCB, u ocultar la intención del procesamiento, es una forma de ayudar a disuadir el robo. ^{[ 11 ]} Otra es usar funciones físicas inclonables (PUF) como una huella digital en la PCB que es imposible de recrear. ^{[ 12 ]}

En los últimos años, los procesos de obtención de imágenes mediante tomografía computarizada de rayos X han avanzado hasta el punto de poder capturar imágenes de la placa de circuito impreso con la suficiente nitidez como para aislar las capas individuales y las características de cada una de ellas. Para placas más sencillas, las radiografías o las tomografías computarizadas pueden proporcionar imágenes con la resolución suficiente para realizar ingeniería inversa sin necesidad de fresado destructivo.

Generalmente, un tomógrafo computarizado de alta resolución captura imágenes de la placa en cortes bidimensionales, variando el ángulo y la intensidad. Estas imágenes se ensamblan computacionalmente para formar un modelo volumétrico tridimensional, y posteriormente se extraen imágenes de cada capa. Actualmente se están realizando investigaciones adicionales para mejorar el procedimiento de tomografía computarizada, la reconstrucción de datos volumétricos y la extracción de capas de circuitos.

En principio, este proceso parece bastante simple; sin embargo, ciertos problemas como la no planaridad de las capas del circuito, las limitaciones de resolución y tamaño, y los artefactos de rayos X complican enormemente la extracción de imágenes de circuito utilizables. ^{[ 4 ] [ 13 ]}

Los procesos de obtención de imágenes por rayos X/TC presentan numerosos inconvenientes, como la resolución, los costes del equipo, el endurecimiento del haz y otros artefactos radiactivos que pueden distorsionar las imágenes o dificultar su uso en el proceso de ingeniería inversa. Además, algunos chips IC pueden dañarse por la exposición a rayos X potentes, por lo que es necesario retirar los componentes de la placa antes de la obtención de imágenes si se pretenden recuperarlos para su reutilización. ^{[ 4 ]}

Otro inconveniente es el tiempo necesario para crear las imágenes utilizadas para generar los datos de diseño de la placa de circuitos. En un estudio, se utilizó una máquina de rayos X Versa 510 para obtener imágenes de una placa de 6 capas, de aproximadamente 130 mm × 200 mm ( 5 pulg. × 8 pulg .) ; la obtención de imágenes y el procesamiento de los datos en la nube tardaron más de 18 horas en completarse. En comparación, la ingeniería inversa destructiva puede producir imágenes ópticas calibradas de alta resolución de la misma placa de 6 capas en menos de 2 horas a un costo muy bajo por parte de un operador capacitado. ^{[ 4 ]}      

A menudo, una máquina de prueba de sonda volante (FPT) también se puede utilizar para generar datos a partir de una placa de circuito impreso. A diferencia de los métodos destructivos, con este proceso la PCB generalmente se puede reutilizar. Sin embargo, el único resultado de este proceso es una lista de conexiones entre las almohadillas de superficie de la placa, también conocida como netlist .

La lista de conexiones depende completamente de la conectividad eléctrica de la PCB. Si una PCB se ha dañado o deslaminado durante su vida útil, es posible que se hayan roto las vías o las pistas de cobre, y si el daño ocurre en las capas internas de la PCB, el operador de FPT no tendrá forma de detectarlo. La lista de conexiones resultante reflejará las roturas en las pistas y no debe utilizarse para generar un esquema o placas adicionales. Además, una lista de conexiones es un formato de datos bastante limitado que solo proporciona información sobre si los pines de los diferentes componentes están conectados o no. No hay información sobre la geometría interna de los circuitos de cobre, que es crucial para el correcto funcionamiento de los circuitos emisores de radio o los circuitos con señalización diferencial . Es imposible crear una PCB idéntica utilizando este método. Estas desventajas implican que este método generalmente se reserva para la creación de esquemas o para la resolución de problemas y reparaciones. ^{[ 9 ]}

Antes de la era digital del procesamiento y almacenamiento de datos, los diseñadores de PCB creaban y almacenaban los diseños en películas de Mylar/BoPET , que se utilizaban en el proceso de fabricación fotorresistiva de las placas de circuito . Estas películas solían ser la única copia de los datos de diseño de la placa. Si bien su uso principal era la fabricación de PCB, también servían como medio de almacenamiento. Con el tiempo y el uso, estas películas pueden desintegrarse, por lo que el diseño debe ser digitalizado y convertido a formato vectorial para su uso en futuras fabricaciones. La ingeniería inversa de conjuntos de películas es prácticamente el mismo proceso que la ingeniería inversa de una PCB: se digitaliza cada capa y se crean datos Gerber /vectoriales para las diferentes capas del circuito. ^{[ 1 ]}