книги из ГПНТБ / Данилин Н.С. Теория и методы неразрушающего инфракрасного контроля радиоэлектронных схем

поток, состоящий из излучений с длиной волны, заключенной меж­

полученные кривые будут носить название спектральных кривых распределения.

Точечным может считаться такой источник излучения, размеры тела накала которого бесконечно малы. Реальные источники из­ лучения обладают вполне определенными конечными размерами. Однако па практике расстояние от источника излучения до прием­ ника часто велико по сравнению с размерами источника, поэтому размерами последнего можно пренебречь и считать его точечным-

где a —■угол между направлением падающего луча и нормалью к облучающей поверхности. Исходя из этого,

В случае, когда облучаемая поверхность перпендикулярна к на­ правлению излучения,

10

<

§1.3. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТЕЛ

'Если на какое-либо тело, находящееся при температуре То, па­ дает поток излучения Фо, то в общем случае часть этого потока Фотр отражается поверхностью этого тела, часть Фпог.п погло­

отражения р. коэффициентом поглощения а и коэффициентом про­

Коэффициент отражения р определяется как. отношение отра­ женного поверхностью потока излучения ко всему потоку излуче­ ния, падающему на тело:

Фо"

В зависимости от состояния поверхности отражение может оыть зеркальным и диффузным. В первом случае это правильное 'отра­ жение на полированной поверхности, размеры неровностей кото­ рой малы по сравнению с длиной волны падающего излучения. Второй случай — диффузное отражение — имеет место, когда при освещении поверхности ее яркость во всех направлениях одинако­ ва. Во многих случаях на поверхности раздела двух сред проис­ ходит направленно-рассеянное отражение, при котором ось отра­ женного пучка направлена в соответствии с законом зеркального отражения, а телесный угол отраженного пучка больше телесного угла падающего пучка из-за неровностей Поверхности.

Коэффициент пропускания определяется как отношение пото­ ка излучения, прошедшего через тело, ко всему потоку излучения, падающему на тело:

поглощенной части всего потока излучения ко всему падающему потоку:

11

Если имеется монохроматическое излучение, заключенное в -ин­ тервале длин волн от к до Л,+:ДД то следует говорить о спектраль­ ном коэффициенте поглощения а>„ спектральном коэффициенте отражения р>. и спектральном коэффициенте пропускания

В зависимости от температуры тела эти коэффициенты могут меняться. При учете этого явления надо к индексам соответствую­ щих коэффициентов прибавлять и температуру Т:

р\Т, ^?.Т, ^-ЛТ.

Согласно закону сохранения энергии и определения данных коэффициентов можно записать

излучение существует всегда и везде. Его мощность, состав и рас­ пределение зависят от состояния поверхности тела и его темпера­ туры.

Нагретые зеркальные поверхности излучают слабо, а излуче­ ние шероховатых поверхностей намного интенсивнее. С увеличе­

Спектры излучения твердых и жидких тел в большинстве слу­ чаев имеют непрерывный характер с более или менее ярко выра­ женными максимумами, а спектры излучения газообразных ве­ ществ имеют, как правило, линейчатую структуру.

Поскольку при излучении часть тепловой энергии уходит, то для поддержания постоянной температуры тела необходимо вос­ полнять потерю энергии или непосредственным подведением ее извне или за счет поглощения телом тепловой энергии других тел. При термодинамическом рассмотрении излучения удобно ввести понятие об абсолютно поглощающем, «абсолютно черном» теле.

12

Из уравнения закона Кирхгофа можно сделать следующие вы­

на его коэффициенту поглощения при той же длине волны и тем­

виях (Т и X), не способны ее излучать.

Закон Кирхгофа справедлив для тел, состоящих из ве^ щества в любом агрегатном состоянии — твердом, жидком, газо­ образном, плазменном, — но только в том случае, если излучение тела является чисто тепловым.

Закон Стефана—Больцмана

■Обрабатывая результаты, полученные различными исследова­ телями, в 1879 г. Стефан пришел к выводу, что суммарное излуче­ ние тела пропорционально четвертой степени его абсолютной тем­ пературы. Но в дальнейшем этот вывод для большинства тел на практике плохо согласовался с теорией-

Больцман пошел дальше. Он сделал вывод, что закон Стефана строго применим только для случая излучения абсолютно черного тела.

В настоящее время интегральный закон излучения носит на­ звание закона Стефана—Больцмана и формулируется так: суммар­ ная энергетическая светимость абсолютно черного тела, т. е. пол­ ная мощность, излучаемая в полусферу с единицы площади при температуре Т, пропорциональна четвертой степени его темпера­ туры:

где з= 5,6 7 - 1 0 Вт-см~2-сС-4— постоянная Стефана—Больцмана'; Т — абсолютная температура тела.

Если тело находится в среде, имеющей температуру 7^, сравни­ мую с температурой излучателя Т, то закон Стефана—Больцмана

Для определения яркости черного тела с площадью S в преде­ лах телесного угла со, ось которого составляет угол а с -нормалью

14

к излучающей поверхности, необходимо воспользоваться выраже­ нием

Закон Стефана—Больцмана может быть применен и к реальным телам при условии, если излучательная способность тела не зави­ сит от длины волны. В этом случае

Закон смещения Голицына—Вина

Длина волны Хтах, соответствующая максимуму энергии в из­ лучении абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре Т:

(1.32)

где с;.—(0,2897^2 + 0,000013)- 10_2лх-К — постоянная закона смеще­ ния. Так формулируется закон смещения Голицына—Вина.

с, — есть величина, равная произведению абсолютной тем­ пературы идеального излучателя на длину волны, при которой спектральная плотность излучения поверхности или яркости этого излучения максимальна.

Величина Хп,.|х имеет такую же размерность, в которой выра­ жена длина в размерности постоянной закона смещения с>., т. е. метр-

Наиболее употребительна в ИК технике формула Голицына—

Закон излучения Планка

Закон излучения Планка получен на основании квантовых представлений об излучениях и характеризует спектральное рас-' пределение энергии излучения черного тела. Планк предположил, что излучение Является следствием колебаний электрических осцилляторов, подобных вибраторам Герца и имеющих все воз­ можные частоты: осциллятор с собственной частотой излучает (поглощает) энергию не непрерывно, как предполагалось ранее, а некоторыми порциями-квантами. Энергия кванта пропорциональ­ на частоте осциллятора

15

Моделирование абсолютно черного тела

На практике часто возникает необходимость иметь излучатель,

(сажи, платиновой черни, графита, аморфного угля). В широком спектральном диапазоне в качестве модели абсолютно черного тела применяется равномерно нагретая полость с малым входным отверстием. Если внутренние стенки полости имеют покрытие с до­ статочно высоким коэффициентом поглощения, а входное отверстие мало, то лишь незначительная часть входящего потока будет вы­ ходить назад и можно считать, что поглощение будет полным. Ес­ ли полость нагрета до определенной температуры, то ее входное отверстие и будет являться абсолютно черным телом (с опреде­ ленными допущениями). Температура его равна температуре по­ лости, а площадь — площади отверстия. Молено показать, что из­ лучение такой полости одинаково во всех направлениях и не зависит от ее формы и материала стенок.

В реальных практических моделях эти факторы значительно влияют на степень приближения к абсолютно черному телу. Мо­ дели обычно изготавливаются из стали, алюминия или меди, чер­ ненных оксидированием. Иногда применяются керамические или угольные трубки. Для увеличения коэффициента поглощения внутренние поверхности моделей изготовляются рифлеными. На­ грев моделей чаще всего осуществляется электрическим путемВажен равномерный нагрев, что осуществляется различным путем подведения тепла. Контроль нагрева осуществляется термистора­ ми или термопарами. Эталонные излучатели снабжаются элект­ ронными регуляторами нагрева.

Вся модель в целом тщательно изолируется от окружающей среды, а перед отверстием ставится диафрагма, температура ко­ торой поддерживается на определенном необходимом уровне с по­ мощью охлаждения. i

uuv,\ m I rw ■-

Г Л А В А 2

ОБЗОР МЕТОДОВ ИНФРАКРАСНОЙ ДИАГНОСТИКИ

В Советском Союзе и за рубежом широко ведутся исследова­ ния возможности применения инфракрасного контроля электрон­ ных схем и их компонентов в следующих областях:

— анализ теплового режима электронных схем; -• контроль изменения параметров цепей;

—контроль качества элементов;

—автоматизация процессов контроля и поиска неисправнос­

тей.

§ 2.1. АНАЛИЗ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СХЕМ

Температура элемента является одним из факторов, опреде­ ляющих его долговечность в рабочем режиме. Интенсивность ИК радиации, излучаемой элементом, определяется этой темпера­ турой. В настоящее время для анализа теплового режима элект­ ронных схем применяются термопары, недостатком которых яв­ ляется наличие теплового контакта между термопарой и объектом. ИК метод контроля свободен от этого недостатка. Решение проб­

ширить применение ИК метода на электронные схемы с объем­ ной компоновкой и повысит точность измерения температуры.

Так, например, в процессе испытаний [30] было измерено ИК излучение группы примерно идентичных мощных германиевых транзисторов, и в результате они были разделены на три катего­ рии в зависимости от интенсивности излучения: высокую, сред­ нюю, низкую. Для каждой группы было проведено испытание на

срок службы. После 100 часов работы установлено, что 58% тран­ зисторов, имеющих^ысокую мощность излучения (соответствен­ но высокую^ДбВчую температуру), отказали, в то время как для триодов' со-*р№ГГ'-?ро вием мощности имело место 20% отказов,

18

для транзисторов с низким уровнем 10% отказов. Результаты ис­ пытаний представлены на рис. 2.1-

Рис. 2.1. Зависимость отказов транзисторов от температуры их поверхности.

Примером изменения уровня надежности резисторов в зави­ симости от температуры их поверхности может служить график, приведенный на рис. 2.2. По рис. 2.1 и 2.2 можно судить об уве­ личении опасности отказов элементов с увеличением температуры.

Для анализа теплового режима схем микроэлектроники приме­ нение такого метода является зачастую единственно возможным. Примером может служить применение такого метода фирмой «Рэйтеон» '[29]. Когда интегральная схема на выходе производст­ венной линии проверялась по электрическим параметрам, она бы­ ла признана годной. При проверке же ее теплового рельефа ока­ залось, что один из резисторов имеет слишком высокую темпераТУРУ> указывающую на плохое соединение резисторов с материа­ лом подложки. Данная схема имела скрытый дефект, который мог бы привести в скором времени к выходу ее из строя. На осно­

вании результатов инфракрасного контроля схема была забрако­ вана.