Способ неразрушающего контроля изделий Советский патент 1992 года по МПК G01N27/14 

Изобретение относится к методам кон- дуктометрического 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 вклю.чения 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

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 определенного 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 изменявV|

Ь

о

к

-N

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

Необходимо также отметить, что в способе не учитывается влияние режимов токо- прохождения через образец на его тепло- физические 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 ,

где Тм - период следования частотно-модулирующего сигнала;

тп длительность пилообразного импульса напряжения;

Тп - 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, вызывает джоуле- во 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 теплофи- зического состояния образца (прежде всего его температуры) в течение следования единичного импульса. Для определения параметров образца, характеризующих его теплофизическое состояние в различных режимах 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 в течение пилообразного импульса напряжения. Методика определения длительности релаксации (трел) теплового состояния объекта в равновесное (первоначальное) из процесса накопления тепла при

частотной модуляции стабилизированных по амплитуде импульсов тока заключается в измерении напряжений по переднему 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.

За время действия коротких (9Тм гп)

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 Грел теплового состояния из неравновесного во время действия импульса

тока в равновесное, после окончания импульса тока) определяются теплопроводность и теплоемкость образца.

Повторяя указанные процедуры измерения в течение пилообразного импульса напряжения, раздельно контролируют теп- лофизические параметры изделий в динамическом диапазоне эксплуатации.

Величины периода следования (Тп), длительности (Тп) импульсов напряжения пило- образной формы и периода следования частотно-модулирующего сигнала (Тм) определяются из соотношения

27Тм 3 тп Тп.

Ограничения, накладываемые на ука- занные выше величины, обусловлены следующими соображениями. Действие пилообразного импульса напряжения приводит к разогреву образца. Т.к. процедуру измерения необходимо повторить с целью получения усредненных характеристик (из- за возможных низкочастотных флуктуации), 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 тп, вследствие чего должно выполняться условие

Згп ТП.

Скорость изменения напряжения на образце (действие пилообразного импульса) должна быть такова, чтобы, во-первых, про- цедура измерения мгновенных значений теплофизических параметров в каждой точке Un(r)const (Un( т) - 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. Та- ким образом, должно выполняться условие .

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 автоматиче- ски 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 0 импульсов тока с частотной модуляцией; на фиг.2 - изменение амплитуды UHM частотно- модулирующих 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 , 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 Un пилообразной формы; на фиг.Зб - импульсы напряжения частотно-модулирующего сигнала в течение одного цикла измерения; на фиг.Зв - изменение частоты следования импульсов тока, стабилизированных по амплитуде 0 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 теплофи- зические характеристики.

Для конкретного образца нормируются:

10 - амплитуда импульсов тока;

RO - сопротивление образца при температуре измерений;

U0 - амплитуда импульсов напряжения на образце равная 0xRo;

Т0 - длительность импульсов тока;

(о - круговая частота модулирующего сигнала;

Un - амплитуда пилообразных импульсов напряжения;

rn - длительность пилообразных импульсов напряжения;

Тп - период следования пилообразных импульсов напряжения;

ЛеЩ.

( I .

частота следования импульсов тока как функция времени в соответствии с законом модуляции.

Измеряются следующие информативные признаки:

р (г) - разность фаз между низкочастотной составляющей напряжения и модулирующим сигналом;

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

Теплофизические характеристики определяются по следующим формулам:

k-h-b

a-s-d + k-b

Ко

k-h-a Xa-s-d + k-bA

Глр

k-h-a-b2 a-s-d + k-b

Ко

(1)

(2)

(3)

где ( тп)1о2 Ro2 +U2n( тп);

Un( Тп) - мгновенное (в момент гп) значение напряжения на образце, вызванное наложением импульса напряжения пилообразной формы;

ат - токовая составляющая температурного коэффициента сопротивления;

С - теплоемкость образца;

А - теплопроводность образца.

Коэффициент к определяется из решения трансцедентного уравнения

о ДМО

(4)

(5) (6)

lit Л W ,д ( UL0+tPSAl«l-n)l -t-o - -po,(Јl)

()

(7)

1рел

(-)-

- TO - время релаксации теплового состояния как функция тп; fo ( ) - частота, при которой начинается процесс накопления тепла;

0

0

5

изменение соd - толщина образца; АРэ(го) ипГифР

1о

противления образца за время действия г0 импульса тока;

S - площадь теплового контакта с теп- лоотводом;

п - коэффициент теплоотдачи;

р - плотность вещества тела, проводя- 0 щего ток.

Способ реализуется в следующей последовательности операций. Регистрируют динамическую величину напряжения на образце. Из получаемой реализации выде- 5 ляют низкочастотную составляющую напряжения и измеряют совокупность информативных признаков: зависимость разности фаз между модулирующим сигналом и низкочастотной составляющей изменения амплитуды импульсов напряжения от

Un(fo) напряжения на образце, напряжения по переднему и заднему фронтам каждого импульса в реализации.

Пример. Исследуемый образец пред- 5 ставляет собой тонкопленочный регистр (сплав РС-3710), напыленный на ситаловую подложку (СТ-50-1-1-0,6) со структурой контактных площадок V-AI.

Геометрические размеры: 0 Длина, мкм5000

Ширина, мкм5000

Толщина, А200

Удельное поверхностное сопротивление PS, кОм/а 1 5 Сопротивление образца R, кОм 1

Контактные площадки, мкм 375x5000

Для определения теплофизических характеристик объекта на последний подаются импульсы тока, стабилизированные по 0 амплитуде KnPHOM-l2cra6Rf(t) Г0,

где 1стаб о - амплитуда импульсов тока;

- сопротивление образца;

f(t) - модулированная частота следования импульсов; 5 ть - длительность импульсов;

Рном допустимая мощность рассеяния;

Кп - коэффициент перегрузки.

Одновременно на образец подаются импульсы напряжения пилообразной формы с длительностью мин и периодом следования TV S мин, амплитудойЧЗО-60 В.

Режимы электрической нагрузки:

1стабЈ 10тА;50 тА

Го-ЮуЫЗ

fof ЮОГц, 1 МГц

В каждый момент времени (в течение импульса напряжения пилообразной формы) определяют сдвиг фазы между низкочастотной составляющей изменения амплитуды импульсов напряжения, следующих по закону частотной модуляции, и модулирующим сигналом (р ( тп)), и напряжения ифр и Ucn. В результате в каждой точке временного интервала о; тп для каждого известного значения Un(tn) определяются

величины f0 (А ) Д R3 (ть) по формулам,

представленным выше. Затем по формулам (1-6) определяются величины сгт, С, Я.

Характерные величины грел (1-10) mS.

Использование предлагаемого способа неразрушающего контроля изделий обеспечивает по сравнению с существующими способами контроля раздельный контроль теплофизических параметров изделий, таких как токовая составляющая температур- ного коэффициента сопротивления, 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 изде

5

0

5

0

0

лий по теплофизическим параметрам, по динамике их поведения в процессе воздействия.

Формула изобретения Способ неразрушающего контроля изделий, заключающийся 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 и по результатам измерений определяют теплофизические параметры, отличающийся тем, что, с целью раздельного контроля в динамическом диапазоне теплофизических параметров, дополнительно подают импульсы напряжения пилообразной формы, причем их длительность определяется соотношением

27ТМ 3 гп Тп,

где Тм - период следования частотно-модулирующего напряжения;

гп - длительность пилообразного импульса напряжения;

Тп - период следования пилообразных импульсов напряжения.

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.

Ь.Г

Фиг.1

-L

Чч,г.

Н Ч

п

ил

л

fr29frfZ.l