Электромагнитные и тепловые методы контроля РЭСИ
Электромагнитные и тепловые методы контроля РЭСИ
Министерство образования Республики Беларусь Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники кафедра РЭС РЕФЕРАТ на тему: «Электромагнитные и тепловые методы контроля РЭСИ» МИНСК, 2008 Электромагнитные методы Электромагнитные методы неразрушающего контроля основаны на анализе взаимодействия электромагнитного поля вихретокового преобразователя с электромагнитным полем вихревых токов, наводимых в контролируемом объекте. К особенностям вихретокового метода неразрушающего кон-троля относят: - электрическую природу сигнала и быстродействие, что позволяет легко ав-томатизировать контроль; - значительную скорость и простоту контроля; - отсутствие необходимости электрического и даже механического контакта преобразователя с контролируемым объектом; - возможность контроля слоев металла небольшой толщины, а также быстро движущихся изделий. Существуют три основных метода возбуждения вихревых токов в объекте: - помещение изделия в катушку (метод проходной катушки); - накладывание катушки на изделие (метод накладной катушки); -помещение изделия между первичной и вторичной катушками (экранный метод). При пропускании через катушку переменного тока определенной частоты магнитное поле этой катушки изменяет свой знак с той же частотой. Если поме-стить изделие в поле этой катушки, то в нем возбуждаются вихревые токи, поле которых оказывает действие на поле возбуждающей катушки. Существует несколько методов вихретокового контроля (ГОСТ 18353-79): амплитудный, фазовый, частотный, многочастотный. Наибольшее применение нашли амплитудный и частотный методы. Амплитудный метод применяют при наличии двух изменяющихся факторов, например, одновременном изменении зазора и электрической проводимости, один из которых нужно исключить. Такое исключение осуществляется фазовой настройкой. Частотный метод часто используют, например, при измерении толщины сте-нок труб, когда необходимо отстроишься от измерения наружного диамера или электрической проводимости. По чувствительности к трещинам вихретоковая дефектоскопия уступает маг-нитной. Выпускаемые отечественные электроиндуктивные дефектоскопы типа ДНМ-500, ДНМ-2000 с динамическим модуляционным методом регистрации, в которых накладная катушка вращается вокруг контролируемого изделия, позво-ляют получить сигнал большой амплитуды и выявить дефект с наименьшим полем рассеяния. Указанные приборы применяют для выявления трещин протяженностью до 0,8 мм и глубиной > 0,1 мм в поверхностных слоях деталей под слоем краски и эмали, а также изделий из жаропрочных и коррозионностойких сталей. Широкое распространение получили дефектоскопы многоцелевого назначе-ния типа ЭМИД. Эти приборы комплектуются набором проходных катушек - датчиков с внутренним диаметром от 5 до 100 мм, что позволяет контролировать многие изделия. Например, для контроля труб, прутков, проволоки на наличие трещин, рако-вин, успешно применяется прибор ЭМИР-2М, в котором дефекты регистриру-ются визуально по изменениям фазы или амплитуды кривой на экране осцил-лографа, а также автоматически при наличии автоматической приставки. Ши-роко используют также дефектоскопы типа АСК-10(12), ИОС-1, ВК-ЗОС, ВД-20П, ИПП-1М, «Магнитоскоп» и др. Тепловые методы Тепловые методы неразрушающего контроля используют при исследовании теп-ловых процессов в РЭС, причем в большинстве случаев регистрируют поверхнос-тное тепловое или температурное поле объекта контроля, в пространственно-вре-менной структуре которого содержатся «отпечатки» внутренних геометрических или теплофизических аномалий Согласно ГОСТ 23483-79 методы тепло-вого контроля (ТК) основаны на взаимодействии теплового поля объекта с термо-метрическими чувствительными элементами (термопарой, фотоприемником, жид-кокристаллическим термоиндикатором и т.д.), преобразовании параметров поля (интенсивности, температурного градиента, контраста, лучистости и др.) в элект-рический или другой сигнал и передаче его на регистрирующий прибор. Необходимое условие применения ТК - отличие интегральной или локальной температуры изделий от температуры окружающей среды, которое создается либо искусственно с помощью внешних источников теплового нагружения (ИТН), либо в силу естественных причин при изготовлении или функционировании изделий. Таблица 1 Основные объекты ТК в радиоэлектронике. |
Объекты ТК | Дефекты | Примечание | | Полупроводниковые изделия (транзисто-ры, диоды, тиристо-ры) | Дефекты p-n-перехода (по-верхностная деградация, электромиграция, межме-таллические соединения); неравномерная плотность тока; трещины, газовые пузыри между кристаллом и основанием, неоднород-ность состава исходного материала; дефекты тепло-отвода, диффузионной сварки; повреждения кри-сталла; обрыв проводов и короткие замыкания. | При интегральном спосо-бе ТК измеряют тепловое сопротивление. Наиболее перспективно импульсное питание, при котором определяют время тепло-вой устойчивости и пере-ходную тепловую харак-теристику. Исследование температурных рельефов и двухмерных теплограмм позволяет локализовать дефекты. | | Интегральные схемы | Дефект теплоотвода; обрыв выводов; короткие замыка-ния; некачественная метал-лизация; сколы резистив-ной пленки; плохие адгезия и термокомпрессия; про-бой конденсаторов; объем-ные дефекты полупровод-ника. | Разрешение по площади составляет 20..50 мкм. Контроль проводят с по-мощью автоматизирован-ных систем, измеряя температуру в 50.. 10 точ-ках интегральной схемы при снятой крышке. | | Многослойные пе-чатные платы | Утонение и коррозионный износ проводников; нека-чественная металлизация; отслоение проводников. | Используют импульсный нагрев электрическим током. Температурное поле имеет сложный вид и требует наличие этало-нов. | | Резисторы | Локальное уплотнение; непроводящие включения; трещины. | Размер обнаруживаемого дефекта 15x15 мкм. | | Конденсаторы | Пробой электролитических конденсаторов; замыкание слоев конденсаторов в микросхемах. | ТК осложнен небольшим излучением энергии и низким коэффициентом излучения. | | Сборочные единицы и блоки радиоэлек-тронных средств | Неправильное включение элемента в схему; некаче-ствен-ный монтаж; неудач-ное размещение элементов на плате. | ТК рекомендуется при проектировании, изго-товлении и функциони-ровании узлов. Наиболее эффективен ТК при мас-совом производстве од-нотипных узлов. Разре-шение по площади - от долей миллиметра до не-скольких сантиметров. В основе отбраковки операторное или автома-тическое сравнение те-кущей термограммы с эталонной. Оптимизацию проводят путем выбора контрольных точек и тес-тового воздействия. | | Проволока | Утонение; трещины | Используют контактный электронагрев и бескон-тактный СВЧ-нагрев. Скорость контроля до 4 м/мин. Способ чувстви-тельности к изменению проволоки от 20 до 30 мкм. | | Катодные узлы | Неравномерность покрытия | Повышение температуры на 50..60 К уменьшает долговечность катода на порядок. Используют градуированные кривые. | | Высокотемпературные и пленочные покры-тия | Отслоение от подложки, неравномерность покрытия | Наиболее чувствителен нестационарный ТК. | | Контроль сварки вы-водов интегральной схемы с контактными площадками микро-плат. | Непроваривание выводов. | При стандартном точеч-ном воздействии темпе-ратурный отклик безде-фектного соединения лежит в определенном интервале. | | |
С помощью методов ТК можно проводить анализ теплового режима элект-ронных схем, контроль измерения параметров цепей, качества элементов, авто-матический поиск неисправностей в РЭС. Терминология ТК определена ГОСТ 18353-79, а классификация методов ус-тановлена ГОСТ 23483-79. Для ТК применяют пассивные и активные методы. При пассивном ТК объекты испытаний не подвергают воздействию от внеш-него источника, и в местах потенциальных дефектов механических соединений токоведущих элементов путем опрессовки, скрутки, пайки и сварки возникает дополнительное электрическое сопротивление, которое обуславливает нагрев этого участка в соответствии с законом Джоуля - Ленца (рис. 1,а). Пассив-ным способом ТК объекта испытаний, характеризующимся аномальным выде-лением теплоты в месте потенциального дефекта, контролируют сборочные еди-ницы и компоненты радиоэлектронных средств (рис. 1,б). При активном контроле объект подвергают воздействию от внешнего источ-ника энергии (1) (рис. 1, в). До проведения контроля температура изделия во всех точках одинакова (чаще всего равна температуре окружающей среды). При нагреве изделия, тепловой поток распространяется в глубь изделия, в месте га-зового дефекта испытывает дополнительное тепловое сопротивление. В резуль-тате этого наблюдается локальное повышение температуры на нагреваемой по-верхности, а на противоположной поверхности изделия, в силу закона сохране-ния энергии, знак температурного сигнала инвертируется. Рисунок 1 - Пассивные (а,б) и активные (в) ТК. 1 - ИТН; 2 - изделие; 3 - дефект. Пассивный контроль в общем случае предназначен: - для контроля теплового режима объектов контроля; - для обнаружения отклонений от заданной формы и геометрических разме- ров объектов контроля. Активный контроль в общем случае предназначен: - для обнаружения дефектов типа нарушения сплошности в объектах конт- роля (трещин, пористости, расслоений, инородных включений); - для обнаружения изменений в структуре и физико-химических свойствах объектов контроля (неоднородность, теплопроводность структуры, теплоемкость и коэффициент излучения). Схемы основных методов теплового контроля приведены в таблице 2. Основные методы пассивного теплового контроля и области их применения приведены в таблице 3. Основные методы активного теплового контроля и области их применения приведены в таблице 4. Таблица 2 Основные методы ТК. |
Метод контроля | Схема контроля | | | Активного Пассивного | | Односторонний | | | | Двухсторонний | | | | Комбинированный | | | | Синхронный | | | | Несинхронный | | | | |
Обозначения: 1 - источникнагрева; 2 - объект контроля; 3 - термочувствительный элемент. Дефекты вызывают значительные перегревы отдельных областей ИМС или всего изделия в целом, что приводит к последующему его отказу. Поэтому контроль реальной картины теплового поля в изделии необходим для успеш-ного конструирования высоконадежных изделий. По времени действия разли-чают непрерывные и импульсные ИТН. Температурные поля регистрируют с помощью контактных (индикаторы на жидких кристаллах, термолюминофо-ры, термометры, термосопротивления и т. д.) и бесконтактных дистанционных ИК( радиометры, тепловизоры). Критерии дефектности (КД), т.е. измеряемые или рассчитываемые физиче-ские величины, по которым оценивают качество изделий, подразделяют на амплитудные и временные (табл.3.14). В течении долгого времени на практике использовали абсолютную температуру изделия, разность температур дефект-ного и бездефектного участка или эталонного и контролируемого изделий, названную температурным перепадом AT, а также температурный контраст А=ДТ/Т. Ввиду того, что указанные амплитудные критерии существенно зави-сят от специфических для ТК помех, в последние годы интенсивно разраба-тывают временные критерии, которые представляют собой некоторое харак-терное время процесса теплопередачи. Таблица 3 - Методы пассивного ТК. |
Название метода | Область применения | Контролируемые параметры | Факторы, ограничивающие область применения | Чувст-витель-ность | Диапазоны контролируе-мых параметров | Быс-тродей-ствие, с | Отно-си-тель-ная пог-реш-ность, % | Примечание | | Контакт-ные | Контроль температуры твердых, жидких | Температура | Температура объекта, превышающая | 0,001 С | От - 270 до 1500 °С | 0,1 - 1,0 | 0,1 | Для термоэлектри-ческих датчиков | | | и газообразных сред, размеров тепловыделяю-щих элементов объектов, дефектов нарушения сплошности | Геометрические размеры и форма объектов | допустимую температуру нагрева датчика; сложная конфигурация изделия; плохой контакт датчика с объектом | 0,02 °С | От-40 до 400 °С | 0,1-1,0 | 1,0 - 5,0 | Для термоиндикаторов | | | | Величина и форма дефектов | | 0,01 мм | 0,1 - 500,0 мм | 0,1-1,0 | 0,1-1,0 | | | | | | | 0,01 мм | От 0,1 до 100,0 мм и более | 0,1-1,0 | | | | Собст-венного | Контроль температуры, | Коэффициент излучения; | Нестабильность коэффициента | 0,01 °С | -260 °С - 4000 °С | 10-6 | 1,0 - 5,0 | Для фотоэлектрических датчиков | | излуче-ния | измерение излучательной способности, размерный контроль тепловыделяю-щих элементов, контроль | лучистый поток | излучения во времени и пространстве и наличие подсветки объекта посторонними источниками | | | 10-6 | 5,0 | Для тепловых датчиков | | |
Продолжение таблицы 3.12 |
Название метода | Область применения | Контролируемые параметры | Факторы, ограничивающие область применения | Чувст-витель-ность | Диапазоны контролируе-мых параметров | Быс-тродей-ствие, с | Отно-си-тель-ная пог-реш-ность, % | Примечание | | | | Геометрические размеры и формы объекта | | 0,01 мм | От 0,01 мм | 10-6 | 0,01 - 1,0 | Для фотоэлектрических датчиков | | | | | | | | 10-2 | | Для тепловых датчиков | | | дефектов типа нарушения | Величина и форма дефектов | | 0,01 мм | От 0,1 мм до 100,0 мм и более | 10-6 | 1,0 - 5,0 | Для фотоэлектрических датчиков | | |
Таблица 4 - Методы активного ТК. |
Название метода | Область применения | Контролируемые параметры | Факторы, ограничивающие область применения | Чувстви-тельность | Быстродействие (с) | Погреш-ность, (%) | Примечание | | Стационарный | Контроль теплофизических свойств изделий с анизотропией теплопроводно-сти; | Теплопроводность теплоемкость | Допустимая температура нагрева объекта, | + 5% | 0,1 - 1,0 | 5,0- 10,0 | Для контактных датчиков | | | | | | | 10 - 106 | | Для неконтактных датчиков | | | контроль пористости, излучательной | Коэффициент | временная и пространственная | Amin = 0,02 | 0,1 - 1,0 | | Для контактных датчиков | | | способности объектов | излучения | нестабильность излучения объекта | | 10-4 - 10-6 | | Для неконтактных датчиков | | Нестационарный | Контроль теплофизических | Теплопроводность | (при неконтактных методах контроля) | | 0,1 - 1,0 | | Для контактных датчиков | | | свойств материалов | | | | 104 -106 | | Для неконтактных датчиков | | | с большой теплопроводностью, динамики нагрева (охлаждения) объектов; контроль дефектов типа нарушения сполшности | Тепловая постоянная времени | | | 0,1 - 1,0 | 5,0- 10,0 | Для контактных датчиков | | | в сотовых и композитных материалах, полимерах; контроль тепловых деформаций | Размер дефектов | | Порядка М=1-3 | Время задержки 0,1 - 1,0 ДЛЯ металлов и 10-100 для неметаллов | | При несинхронном контроле | | | | Температурная деформация | | Порядка ОДА, | | | При интерферрационном голографическом методе регистрации | | |
Примечание: h - глубина залегания; / - раскрыв дефекта; Amin - минимальное изменение коэффициента излучения. Можно отметить следующие основные преимущества теплового контроля: - дистанционность (для ИК систем); - высокая скорость обработки информации; - высокая производительность испытаний, ограниченная скоростью нагре- ва в активном режиме и скоростью сканирования в пассивном режиме; - высокое линейное разрешение (до 10 мкм в ИК микроскопии); - возможность контроля при одно- и двухстороннем подходе к изделию; - теоретическая возможность контроля практически любых материалов, если теплофизические или спектральные свойства дефектов и материалов раз-личаются; - практическая целесообразность методов контроля материалов с высокой и низкой теплопроводностью, а также контроля при обилии внешних тепло-вых помех; - многопараметрический характер испытаний; - малая зависимость результатов контроля от шероховатости поверхности по сравнению с некоторыми другими видами МНК; - возможность взаимодополняющего сочетания ТК с другими методиками МНК, особенно радиационными, капиллярными и ультразвуковыми; - возможность исследования динамических и статистических тепловых процессов, процессов производства, преобразования, передачи, потребления и консервации энергии различных видов; - возможность прогнозирования тепловой деградации изделий; исследова-ния усталостных и коррозионных процессов; - совместимость со стандартными системами обработки информации; - возможность поточного контроля и создания автоматизированных систем контроля и управления технологическими процессами. Таблица 5 Критерии дефектности и их зависимость от различных факторов. |
Критерии дефектности | Влияние темпера-туры нагре-ва (мощно-сти ИТН) | Влияние помехи | | | | Аддитивной | Мультипликативной | | Амплитудные | + | + | | | 1. Абсолютная температура Т или температурный перепад AT | | | + | | 2. Температурный контраст АТ/Т | _ | + | | | Критерии дефектности | Влияние температуры | Влияние помехи | | | | Аддитивной | Мультипликативной | | 3. Первая производная от температуры на поверхности по толщине изделия | + | + | + | | 4. Положение экстремумов первой производной от тем-пературы по поверхностной координате | | + | | | 5.Форма температурных пе-репадов | - | + | + | | Временные | - | - | - | | 6.Время достижения относи-тельных уровней температуры | | | | | 7. Наличие и время достиже-ния экстремумов первой производной от температур-ного контраста по времени | - | - | - | | 8. Время распространения поверхностной изотермы | - | - | - | | |
Примечание: Знак + (-) означает, что помеха оказывает (не оказывает) существенное влияние на КД; принято, что локальное изменение оптических свойств не влияет на темпе-ратуру. Знак * свидетельствует об отсутствии исследований. ЛИТЕРАТУРА 1. Глудкин О.П. Методы и устройства испытания РЭС и ЭВС. - М.: Высш. школа., 2001 - 335 с 2. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование/ под ред. А.И.Коробова М.: Радио и связь, 2002 - 272 с. 3. Млицкий В.Д., Беглария В.Х., Дубицкий Л.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов. М.: Машиностроение, 2003 - 567 с 4. Национальная система сертификации Республики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 200 5. Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств - Техносфера, 2005. - 504с.
|
|