Способ неразрушающего контроля изделий

 

Использование: предлагает анализ материалов с помощью электрических средств неразрушающего контроля параметров изделий по их теплофизическим характеристикам . Способ можно использовать и для разбраковки изделий по теплофизическим параметрам. Сущность изобретения: исследуемый образец нагревают импульсами напряжения пилообразной формы. Одновременно на образец подают стабилизированные по амплитуде импульсы тока с частотной модуляцией,, детектируют сдвиг фазы между низкочастотной составляющей изменения амплитуды импульсов напряжения и модулирующим сигналом, измеряют напряжения по фронту и спаду каждого импульса во время действия импульсов напряжения пилообразной формы и по результатам измерений определяют теплофизические характеристики исследуемого объекта.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 G 01 N 27/14

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4794777/25 (22) 23.02.90 (46) 30.06.92. Бюл, М 24 (71) Научно-исследовательский технологический институт (72) А.С.Ежов и А.С,Сидоренко (53) 621.3 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

¹ 11227766007777,, к л, G 01 N 27/14. (54) СПОСОБ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ИЗДЕЛИЙ (57) Использование: предлагает анализ материалов с помощью электрических средств неразрушающего контроля параметров изделий по их теплофизическим характериИзобретение относится к методам кондуктометрического контроля изделий и может быть использовано для определения теплофизических характеристик изделий радиоэлектронной и микроэлектронной аппаратуры, а также для разбраковки изделий по теплофизическим параметрам.

Известен способ неразрушающего контроля теплофизических параметров изделий, при котором к образцу однократно подводят калиброванную энергию путем поочередного включения образца в цепь заряда, а затем в цепь разряда конденсатора, после чего измеряют сопротивление образца на стабильном токе и по измеренному значению сопротивления и по сравнению получаемых зависимостей определяют теплофизические параметры образца.

Недостатком способа является отсутствие возможности раздельного контроля отличных от теплоемкости теплофизических

» БЫ,, 1744624 А1 стикам, Способ можно использовать и для разбраковки изделий по теплофизическим параметрам. Сущность изобретения: исследуемый образец нагревают импульсами напряжения пилообразной формы. Одновременно на образец подают стабилизированные по амплитуде импульсы тока с частотной модуляцией,, детектируют сдвиг фазы между низкочастотной составляющей изменения амплитуды импульсов напряжения и модулирующим сигналом, измеряют напряжения по фронту и спаду каждого импульса во время действия импульсов напряжения пилообразной формы и по результатам измерений определяют теплофизические характеристики исследуемого объекта. параметров изделий. Теплофизические параметры а (температурный коэффициент сопротивления) и А (теплопроводность) не могут быть определены из измерений по способу, Исходя из определения величин а и А, для измерения их номиналов необходима информация о количестве тепла, передаваемого объекту в течение определен ного интервала времени через определенный физический объем образца. Для этого необходимы подача калиброванного количества тепла в фиксируемые временные интервалы, анализ процессов рассеяния тепла на объекте и анализ передаточной тепловой функции образца.

Недостатком способа также является то, что его реализация не позволяет осуществлять контроль параметров в динамическом диапазоне эксплуатации. Этот факт определяет методологическую погрешность способа. Емкость конденсатора и изменяе1744624

55 мая сила тока в цепи его заряда-разряда во многом определяют характер получаемых зависимостей.

Необходимо также отметить, что в способе не учитывается влияние режимов токопрохождения через образец на его теплофизические параметры. Данная погрешность метода является следствием отмеченной выше ограниченности способа.

Цель изобретения — раздельный контроль теплофизических параметров изделий в динамическом диапазоне эксплуатации.

Поставленная цель достигается тем, что в способе неразрушающего контроля изделий, заключающемся в том, что нагревают исследуемый образец стабилизированными по амплитуде импульсами тока с частотной модуляцией, детектируют сдвиг фазы между низкочастотной составляющей изменения амплитуды импульсов напряжения и модулирующим сигналом, измеряют напряжения по переднему и заднему фронтам каждого импульса, на образец дополнительно подают импульсы напряжения пилообразной формы, причем их длительность определяется соотношением

27Тм «З п «Тп, где TM — период следования частотно-модулирующего сигнала; г — длительность пилообразного импульса напряжения;

Тл — период следования пилообразных импульсов напряжения, и по результатам измерений определяют теплофизические параметры, Определяемые параметры (токовая составляющая температурного коэффициента сопротивления, теплопроводность и теплоемкость), в совокупности характеризующие теплофизическое состояние образца, являются функциями его температуры. Ток, протекающий по образцу, вызываетджоулево выделение тепла в последнем, что приводит к изменению температуры образца.

Как следствие, изменяются теплофизические параметры изделий (токовая составляющая температурного коэффициента сопротивления, теплопроводность и теплоемкость), По предлагаемому способу неразрушающего контроля изделий на объект подают импульс напряжения пилообразной формы, которые определяют изменение теплофизического состояния образца (прежде всего его температуры) в течение следования единичного импульса, Для определения параметров образца, характеризующих его теплофизическое состояние в различных ре5

50 жимах электрической нагрузки, моделируемых в течение пилообразного импульса напряжения, применяется следующая процедура диагностирования: исследуемый образец одновременно нагревают стабилизированными по амплитуде импульсами тока с частотной модуляцией, детектируют сдвиг фазы между низкочастотной составляющей изменения амплитуды импульсов напряжения и модулирующим сигналом, измеряют напряжения по переднему и заднему фронтам каждого импульса.

В предлагаемом способе анализируется динамика процессов джоулева разогрева образца импульсами тока и охлаждения его до первоначального состояния (релаксация теплового состояния), которое, в свою очередь, претерпевает эволюцию согласно изменению режима электрического нагружения изделий втечение пилообразного импульса напряжения. Методика определения длительности релаксации (T pen) теплового состояния объекта в равновесное (первоначальное) из процесса накопления тепла при частотной модуляции стабилизированных по амплитуде импульсов тока заключается в измерении напряжений по гереднему и заднему фронтам каждого импульса и сравнении измеренных напряжений, Таким образом в способе анализируется динамика тепловых процессов, вызванных выделением джоулева тепла в объекте при подаче на него стабилизированных по амплитуде импульсов тока с частотной модуляцией и пилообразных импульсов напряжения. В условиях джоулева разогрева, по определению, величиной, характеризующей температурную стабильность объекта, является токовая составляющая температурного коэффициента сопротивления, которая наряду с теплоемкостью и теплопроводностью определяется во всем динамическом диапазоне эксплуатации изделия.

3а время действия коротких (9Тм «rn) импульсов тока, стабилизированных по амплитуде, при незначительном нагреве образца теплопроводность и теплоемкость не успевают измениться, поэтому динамика теплового состояния в течение импульса тока связана с зависимостью сопротивления образца от изменения температуры при джоулевом разогреве, т,е, количество рассеиваемой энергии и нагрев образца определяется токовой составляющей температурного коэффициента сопротивления, По динамике процесса рассеяния известного количества теплоты (измерение времени релаксации open теплового состояния из неравновесного во время действия импульса

1744624

10

20

55 тока в равновесное, после окончания импульса тока) определяются теплопроводность и теплоемкость образца, Повторяя указанные процедуры измерения в течение пилообразного импульса напряжения, раздельно контролируют теплофизические параметры изделий в динамическом диапазоне эксплуатации.

Величины периода следования (Т ), длительности (tn) импульсов напряжения пилообразной формы и периода следования частотно-модулирующего сигнала (Гм) определяются из соотношения

27Т„ ЫЗ г. <Т..

Ограничения, накладываемые на указанные выше величины, обусловлены следующими соображениями. Действие пилообразного импульса напряжения приводит к разогреву образца, Т.к, процедуру измерения необходимо повторить с целью получения усредненных характеристик (иэза возможн ых низкочастотн ых флуктуаций), то повторные измерения (в течение очередного пилообразного импульса напряжения) должны проходить в идентичных условиях.

Поэтому до следующего пилообразного импульса образец должен восстановить свое исходное теплофизическое состояние. Установление равновесного состояния происходит за время порядка 3 т„, вследствие чего должно выполняться условие

Зr> <Т,.

Скорость изменения напряжения на образце (действие пилообразного импульСа) должна быть такова, чтобы, во-первых, процедура измерения мгновенных значений теплофизических параметров в каждой точке 0 (г)=сопи (U>(г) — мгновенное значение напряжения пилообразного импульса на образце) имела трехкратное повторение с целью усреднения; во-вторых, в течение импульса напряжения пилообразной формы необходимо снимать как минимум три экспериментальные точки с соответствующими теплофизическими параметрами, Таким образом, должно выполняться условие

9Тм to.

Следовательно, справедливо основное ограничивающее условие на временные характеристики подаваемых сигналов, Поскольку на образец подаются импульсы напряжения пилообразной формы с амплитудой, не превышающей допустимое напряжение эксплуатации, то автоматически на образце реализуются все возможные режимы джоулева разогрева, для каждого из которых определяется совокупность теплофизических параметров изделия, На фиг,1:; оказано изменение температуры образца при прохождении через него стабилизированных по амплитуде 1О импульсов тока с частотной модуляцией; на фиг.2 — изменение амплитуды 0им частотномодулирующих импульсов напряжения за один цикл измерения; на фиг.2б — изменение амплитуды импульсов напряжения на образце (генерация низкочастотной составляющей) за 1 цикл измерения в соответствии с законом частотной модуляции импульсов тока; на фиг,2в — импульс напряжения с фиксированной амплитудой

Up=const, вырабатываемой блоком обработки информации и индикации длительностью, равной разности фаз между низкочастотной составляющей изменения амплитуды импульсов напряжения и частотно-модулирующим сигналом; на фиг.За— импульс напряжения U> пилообразной формы; на фиг.Зб — импульсы напряжения U<> частотно-модулирующего сигнала в течение одного цикла измерения; на фиг.Зв — изменение частоты следования импульсов тока, стабилизированных по амплитуде I> в течение одного цикла измерения; на фиг,Зг— изменение температуры Т джоулева разогрева образца при одновременной подаче на него стабилизированных по амплитуде импульсов тока с частотной модуляцией и импульса напряжения пилообразной формы; на фиг.4 — блок-схема устройства, с помощью которого реализуется способ, Устройство включает модулятор 1, генератор 2 импульсов, блок 3 управления, управляемый генератор 4 стабильного тока, устройства 5, 6 выборки-хранения информации, блок 7 обработки информации и индикации, генератор 8 импульсов напряжения пилообразной формы.

В автоматизированном режиме задаются параметры нагрева, блоками 1 — 4, 8 снимается динамическая величина напряжения с исследуемого образца, выделяются информативные параметры в устройствах 5, 6 и в блоке 7 определяются искомые теплофизические характеристики.

Для конкретного образца нормируются:

I> — амплитуда импульсов тока;

Ro — сопротивление образца при температуре измерений;

Uo — амплитуда импульсов напряжения на образце равная!охйо, х — длительность импульсов тока; и — круговая частота модулирующего сигнала;

U — амплитуда пилообразных импульсов напряжения;

1744624

khb

crn—

as d+kb—

k h a (2) U р(а s d+k b — ) <,h a.b2

tl а.s d+k b—

Ro (3) где U =U (tp)=lp Ro +U,(го);

2 2 2 2 2

U,(tn) — мгновенное (в момент tп) значение напряжения на образце, вызванное наложением импульса напряжения пилообразной формы; ат — токовая составляющая температурного коэффициента сопротивления;

С вЂ” теплоемкость образца;

А — теплопроводность образца, Коэффициент к определяется из решения трансцедентного уравнения где g =a, в -„, "а "о)

< ) о ((":" =-", .)1 -"."; - -,.„(i)) сРм (й)

1 (7) трал(гп) — — о — время релаксации теплового состояния как функция tn, 1о () — частота, при которой начинается процесс накопления тепла; (5) т, — длительность пилообразных импульсов напряжения;

Тп — период следования пилообразных импульсов напряжения; — частота следования импульN сов тока как функция времени в соответствии с законом модуляции.

Измеряются следующие информативные признаки; р (t) — разность фаз между низкочастотной составляющей напряжения и модулирующим сигналом;

Офр, Ucn напряжения, измеряемые по переднему и заднему фронтам каждого импульса.

Теплофизические характеристики определяются по следующим формулам;

d — толщина образца;

Йп Офр

Л L(tо) — фр — изменение colo противления образца за время действия

5 г о импульса тока;

S — площадь теплового контакта с теплоотводом;

n — коэффициент теплоотдачи;

p — плотность вещества тела, проводящего ток.

Способ реализуется в следующей последовательности операций. Регистрируют динамическую величину напряжения на образце. Из получаемой реализации выде15 ляют низкочастотную составляющую напряжения и измеряют совокупность информативных признаков: зависимость разности фаз между модулирующим сигналом и низкочастотной составляющей изменения амплитуды импульсов напряжения от

U„(to) напряжения на образце, напряжения по переднему и заднему фронтам каждого импульса в реализации, Пример. Исследуемый образец представляет собой тонкопленочный регистр (сплав PC-3710), напыленный на ситаловую подложку (СТ-50-1-1-0,6) со структурой контактных площадок V Al.

Геометрические размеры.

Длина, мкм 5000

Ширина,мкм 5000

Толщина, А 200 удельное поверхностное сопротивление ра, кОмlп1

Сопротивление образца R, кОм 1

Контактные площадки, мкм 375х5000

Для определения теплофизических характеристик объекта на последний подаются импульсы тока, стабилизированные по аМПЛИтуДЕ КПРНОМ-1 стабК1(т) tp, г гДе )стаб=1о — амплитУДа импУльсов тока;

R=Ro — сопротивление образца;

f() — модулированная частота следования импульсов; т — длительность импульсов;

Рноц допустимая мощность рассеяния;

Кп — коэффициент перегрузки.

Одновременно на образец подаются импульсы напряжения пилообразной формы с длительностью тп-1 мин и периодом следования Т, 5 мин, амплитудой-30 — 60 В, Режимы электрической нагрузки:

1стаб g(10mA; 50 mA) то-1 О,из

fo6 (100 Гц, 1 МГц)

В каждый момент времени (в течение импульса напряжения пилообразной формы) определяют сдвиг фазы между низкочастотной составляющей изменения амп1744624

10 литуды импульсов напряжения, следующих по закону частотной модуляции, и модулирующим сигналом (р (тл) ), и напряжения

Uyp u Ucn. В результате в каждой точке временного интервала (о; z ) для каждого известного значения Uï(r„) определяются величины fo () - Л R> (tn) по формулам, N представленным выше. Затем по формулам (1 — 6) определяются величины а„С, iL

Характерные величины трел (1 10) mS

Использование предлагаемого способа неразрушающего контроля изделий обеспечивает йо сравнению с существующими способами контроля раздельный контроль теплофизических параметров изделий, таких как токовая составляющая температурного коэффициента соп ротивления, теплопроводность и теплоемкость, в динамическом диапазоне эксплуатации; определение необходимого режима эксплуатации с целью обеспечения надежных характеристик изделий; определение параметров изделий при нагрузках различного характера (динамические и статические), выявление оптимальных режимов формирования эксплуатационных параметров изделий в процессе внешнего воздействия при значительном сокращении объема исследований; оперативную разбраковку изделий по теплофизическим параметрам, по динамике их поведения в процессе воздействия.

5 Формула изобретения

Способ неразрушающего контроля изделий, заключающийся в том, что нагревают исследуемый образец стабилизированными по амплитуде импульсами тока с частотной

10 модуляцией, детектируют сдвигфазы между низкочастотной составляющей изменения амплитуды импульсов напряжения и модулирующим сигналом, измеряют напряжения по переднему и заднему фронтам

15 каждого импульса и по результатам измерений определяют теплофизические параметры, отл и ч а ю щи и с я тем, что, с целью раздельного контроля в динамическом диапазоне теплофизических параметров, до20 полнительно подают импульсы напряжения пилообразной формы, причем их длительность определяется соотношением

27Тц 3 тд Тд, 25 где TM — период следования частотно-модулирующего напряжения;

z — длительность пилообразного импульса напряжения;

T> — период следования пилообразных

30 импульсов напряжения, 1744624

1744624

Фиг. 4

Составитель А. Ежов

Редактор M. Циткина - Техред М.Моргентал Корректор С, Черни

Заказ 2194 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101