La ingeniería inversa de placas de circuitos impresos (a veces llamada “clonación” o PCB RE) es el proceso de generar datos de fabricación y diseño para una placa de circuito existente, ya sea replicando de manera cercana o exacta su funcionalidad. [1]
La obtención de datos de diseño de placas de circuitos no es necesariamente maliciosa ni tiene como objetivo el robo de propiedad intelectual . Los datos generados en el proceso de ingeniería inversa se pueden utilizar para la resolución de problemas, la reparación, el rediseño y la refabricación, o incluso para probar la seguridad de un dispositivo que se va a utilizar en un entorno restringido. [2] [3] [4] [5]
Los sistemas antiguos necesitan mantenimiento y piezas de repuesto para funcionar más allá de su ciclo de vida útil previsto. La demanda de piezas que ya no se fabrican puede provocar escasez de material de piezas, denominada DMS/DMSMS .
Existe una gran demanda que ha llevado a la creación de divisiones gubernamentales enteras para regular y planificar la obsolescencia de esos sistemas y componentes. Entre las áreas que suelen verse afectadas por la obsolescencia técnica se encuentran los controles de las centrales eléctricas, los controles de control del tráfico aéreo y de la aviación, los sistemas de imágenes médicas y muchos aspectos de la tecnología militar.
Existen muchos sistemas heredados desarrollados en los años 70, 80 o 90 cuyo fabricante original ya no está en actividad o ya no tiene los datos de diseño originales, pero cuyo equipo original todavía está en uso. En muchos casos se requiere una forma, un ajuste y una función exactos , ya sea para que las piezas puedan "encajar" correctamente con la estructura existente o para evitar la necesidad de realizar pruebas que consumen mucho tiempo y son costosas. [1]
Para las industrias con electrónica altamente regulada (como la militar o la aeroespacial), este enfoque puede reducir enormemente el tiempo necesario para fabricar piezas de repuesto para reparaciones del sistema, 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 recertificación y pruebas rigurosas que se requerirían de una placa de circuito recientemente diseñada o revisada.
Por ejemplo, una compañía eléctrica de Florida se vio obligada a cerrar debido a la falla de una única placa de circuito impreso (PCB) de bajo costo, que no tenía piezas de repuesto ni datos disponibles para imprimirlas. La falla se produjo durante las horas de mayor uso, y un corte de energía en ese momento puede costarle a una compañía eléctrica miles de dólares por hora. [6]
Una empresa de ingeniería realizó con éxito ingeniería inversa de la PCB para generar una copia exacta de la PCB utilizando el proceso destructivo de imágenes y fresado, y la central eléctrica pudo posteriormente reanudar su funcionamiento normal. [7] [8]
El proceso se puede utilizar para proporcionar información comparativa importante sobre productos recién adquiridos, prototipos de PCB o cualquier placa de circuito que no sea propiedad de la empresa. Por ejemplo, la ingeniería inversa de un conjunto de circuitos revela si el fabricante ha cumplido exactamente con las especificaciones de diseño de la placa.
El proceso se puede utilizar para inspeccionar circuitos falsificados o maliciosos integrados en una PCB o, si una empresa ha comprado un producto nuevo, para crear esquemas u otra documentación que puede no haber estado incluida con el producto. [9] [4]
Los datos del proceso de ingeniería inversa se pueden utilizar para reparar o reimprimir inmediatamente una placa de circuito utilizando técnicas de fabricación aditiva en impresoras 3D de múltiples cabezales.
En situaciones en las que los recursos son limitados, como en un barco, un submarino, el espacio o en un despliegue avanzado, el proceso de ingeniería inversa puede permitir que una tripulación realice el mantenimiento de los equipos electrónicos sin necesidad de llevar consigo piezas de repuesto. En un escenario ideal, la tripulación tendría acceso a los datos de diseño para utilizarlos con la impresora 3D, pero en caso de que la tripulación no tuviera los datos adecuados para las PCB, tendría que aplicar ingeniería inversa al artefacto que tenía a mano para crear más. [10]
Los datos obtenidos mediante ingeniería inversa pueden obtenerse con buenas intenciones, pero cada vez es más importante mitigar el robo de propiedad intelectual y mantener la privacidad . Ofuscar las PCB u ocultar la intención de procesamiento es una forma de ayudar a disuadir el robo. [11] Otra forma es utilizar funciones físicas no clonables (PUF) como una huella digital en la PCB que es imposible de recrear. [12]
La ingeniería inversa destructiva (DRE) es un proceso en el que se toman imágenes de todas las capas de la placa y luego se eliminan mediante diversas técnicas o herramientas de fresado. Si bien es posible utilizar casi cualquier cámara o fuente de imágenes para este método, los sistemas de ingeniería inversa diseñados específicamente utilizan fuentes de imágenes calibradas que permiten una reproducción extremadamente precisa de los datos de diseño de la placa. Esto permite que un ingeniero coincida con la forma, el ajuste y la función exactos de la PCB original. El inconveniente de este método es que destruye la PCB. Si los datos provienen de la última placa de circuito que queda en existencia, no se puede comparar con una muestra, ya que queda poca o ninguna placa de circuito al final del proceso destructivo. Además, se debe tener cuidado durante el proceso de fresado para evitar dañar el cobre. Si se eliminan áreas de cobre antes de que se tomen imágenes, esto representa una pérdida permanente de datos que solo se puede rectificar con la documentación existente de la PCB o mediante ingeniería inversa de una segunda placa idéntica. [9]
Existe un creciente deseo y una necesidad de tecnología de ingeniería inversa no destructiva (NDRE), especialmente en situaciones como la mencionada anteriormente, donde solo se puede utilizar una única placa de circuito impreso. La ingeniería inversa no destructiva de PCB (NDRE) significa que la placa de circuito impreso en sí no se destruye en el proceso; sin embargo, la mayoría de las técnicas no destructivas requieren la eliminación de componentes de la superficie de la placa.
La principal diferencia entre los métodos DRE y NDRE radica en la forma en que se capturan las imágenes de la placa antes de generar nuevos datos: en algunos casos, se capturan imágenes ópticas de la parte superior e inferior de la placa y luego se fusionan con imágenes de rayos X de las capas internas de la placa. Una vez que se han capturado todas las imágenes de todas las capas de la placa, el proceso de generación de datos de fabricación digital es similar al proceso destructivo. [2] [4]
En los últimos años, los procesos de obtención de imágenes basados en tomografía computarizada con rayos X han avanzado hasta el punto de que pueden capturar imágenes de la placa de circuitos con la suficiente precisión como para aislar las capas individuales y las características de cada una de ellas. En el caso de placas más sencillas, los rayos X o las tomografías computarizadas pueden proporcionar imágenes con la suficiente resolución como para realizar ingeniería inversa de una placa sin necesidad de utilizar fresado destructivo.
En general, una máquina de tomografía computarizada de alta resolución capturará imágenes de la placa en cortes bidimensionales, variando el ángulo y la intensidad. Las imágenes resultantes de la placa se ensamblan computacionalmente en un modelo volumétrico tridimensional y luego se pueden extraer imágenes de cada capa. Actualmente, se están realizando investigaciones adicionales para mejorar el procedimiento de tomografía computarizada, reconstrucción de datos volumétricos y extracción de capas de circuitos.
En principio, este proceso parece bastante simple, sin embargo, ciertos problemas como la falta de 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 circuitos utilizables. [4] [13]
Los procesos de obtención de imágenes por rayos X/TC presentan muchos inconvenientes, entre ellos la resolución, los costes de los equipos y el endurecimiento del haz y otros artefactos de rayos X que pueden distorsionar las imágenes o dificultar su uso en el proceso de ingeniería inversa. Además, algunos chips de circuitos integrados pueden resultar dañados por la exposición a rayos X potentes, por lo que es necesario vaciar la placa antes de obtener la imagen si se van a recuperar los componentes para su reutilización. [4]
Otro inconveniente es el tiempo que lleva crear las imágenes que se utilizan para generar los datos de diseño de las placas de circuitos. En un estudio, se utilizó una máquina de rayos X Versa 510 para obtener imágenes de una placa de 6 capas, que medía aproximadamente 130 mm × 200 mm (5 pulgadas × 8 pulgadas); la obtención de imágenes y el procesamiento de los datos de 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 experto. [4]
A menudo, también se puede utilizar una máquina de prueba Flying Probe (máquina FPT) para generar datos a partir de una placa de circuito. A diferencia de los métodos destructivos, con este proceso, la PCB generalmente se puede reutilizar. Pero el único resultado de este proceso es una lista de conexiones entre las superficies de contacto de la placa, también conocida como lista de conexiones .
La lista de conexiones depende completamente de la conectividad eléctrica de la PCB. Si una PCB se ha dañado o deslaminado a lo largo de su ciclo de vida, es posible que se hayan roto los conductos o las pistas de cobre, y si el daño se produce en las capas internas de la PCB, el operador de FPT no tendrá forma de saberlo. La lista de conexiones resultante reflejará las roturas en la pista y no debe utilizarse para producir un esquema o placas adicionales. Además, una lista de conexiones es un formato de datos bastante estrecho que solo proporciona información sobre si los diferentes pines de los componentes están conectados o no. No hay información sobre las geometrías internas de los circuitos de cobre, que son cruciales para el funcionamiento adecuado de los circuitos emisores de radio o circuitos con señalización diferencial . Es imposible crear una PCB idéntica utilizando este método. Estos inconvenientes significan que este método generalmente se reserva para la creación de esquemas o para fines de resolución de problemas y reparación. [9]
Antes de la era digital del procesamiento y almacenamiento de datos, los diseñadores de PCB creaban y almacenaban los diseños en películas de dibujo Mylar/BoPET , que se utilizaban en el proceso de fabricación fotoresistiva para placas de circuitos . Estas películas eran a menudo la única copia de los datos de diseño para la placa. Si bien su uso principal era en la fabricación de PCB, también servían como su propio medio de almacenamiento. En última instancia, estas películas pueden desintegrarse con el tiempo y el uso, por lo que el diseño debe ser fotografiado y convertido a formato vectorial para poder ser utilizado para futuras fabricaciones. La ingeniería inversa de conjuntos de películas es aproximadamente el mismo proceso que la ingeniería inversa de una PCB: se fotografia cada capa y se crean datos Gerber /vectoriales para las diferentes capas del circuito. [1]
Ya sea que la placa se haya sometido a ingeniería inversa mediante un método destructivo o no destructivo, el resultado es que se obtiene una lista de conexiones. Si bien la lista de conexiones en sí no se puede utilizar para crear un reemplazo idéntico, se puede utilizar para generar datos de respaldo para la placa como un esquema. Mientras que una lista de conexiones es un archivo de texto simple basado en ASCII que simplemente enumera todas las conexiones de la placa, un esquema de PCB transmite la misma información de una manera más visual.
Además, un esquema se puede fusionar con la lista de materiales (BOM) y los datos de Pick and Place de los componentes para mejorar aún más su utilidad en escenarios de resolución de problemas, o se puede utilizar como base para el diseño de una PCB completamente nueva. Si se ha utilizado un proceso de ingeniería inversa destructivo o se han capturado imágenes de todas las capas de PCB mediante imágenes de rayos X, los datos resultantes deben incluir no solo una lista de conexiones, una lista de materiales y/o un esquema, sino también un diseño gráfico completo de las capas de cobre de la placa. Estos datos se pueden representar en una gran cantidad de formatos diferentes, pero los formatos de datos más comunes creados en el proceso de ingeniería inversa incluyen los siguientes:
Los datos producidos en el proceso de ingeniería inversa se pueden enviar inmediatamente a un fabricante de PCB para la fabricación de réplicas/clonaciones de PCB, o se pueden utilizar para la creación de documentos de respaldo.