Электромагнитные и тепловые методы контроля РЭСИ

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.