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.
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.
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.
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.
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
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.