Электромагнитные и тепловые методы контроля РЭСИ

«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.