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

Так как отказы интегральных схем в большинстве своем так пли иначе связаны с тепловыми режимами, разработчики часто устанавливают очень низкие пределы для допустимой рассеивае­ мой мощности-

, Выход U5 строя

но.

too

so.

30.

60

30 Si

зв

го

to

Рис. 2.2. Зависимость отказов резисторов от температуры пч поверхности.

Используя инфракрасные методы для оценки допустимого ко­ личества тепла, которое может рассеиваться в рассматриваемом участке схемы при определенном расположении компонентов, раз­ работчик может установить более реальные пределы для рассеи­ ваемой мощности.

§ 2.2. КОНТРОЛЬ ИЗМЕНЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЦЕПЕЙ

Носителем информации о состоянии цепи в этом случае явля­ ется тепловое поле схемы, ее инфракрасный профиль. Вид про­ филя и значения ординаты в отдельных точках определяются электрическими режимами элементов и их конструктивными осо­ бенностями (крепление к плате, заливка и т. д.).

Изменение электрического режима в схеме, обусловленного отклонением параметра какого-либо элемента от «нормального» значения, приводит к изменению профиля. Это позволяет выявить наличие дефектного элемента в схеме.

Графики (рис. 2.3), полученные при измерении интенсивности инфракрасного излучения, в зависимости от величины электричес­ кой мощности, рассеиваемой на данном элементе, позволяют сде­ лать окончательный вывод об уровне мощности, рассеиваемой на элементах исследуемой схемы.

20

Изменения в реальных цепях могут быть обусловлены произ­ водственными факторами, а также объективными ошибками рас­ чета, не учитывающего паразитные реактивные и активные состав­ ляющие.

Рис. 2.3. Зависимость уровня инфракрасного излучения от величины рассеиваемой электрической мощности для резисторов.

Примером применимости инфракрасного метода контроля для измерения дефектов, связанных с изменением параметров цепей, может служить методика поиска неисправностей, осуществляемая

21

с помощью прибора «Компер», разработанного фирмой «Рейтеон» [29]. «Компер» — консоль для оптических измерений и прецизион­ ного анализа излучения элементов электронных схем — осуществ­ ляет линейное сканирование схем. На выходном устройстве с циф­ ровым отсчетом индицируется диаграмма, соответствующая опре­ деленному дефекту. В приборе, сконструированном по принципу радиометра, измеряется температура отдельных компонентов схе­ мы, запоминаются результаты измерений и осуществляется сравне­ ние их с данными, заложенными предварительно в запоминающее устройство. Испытания, диагностика дефектов и регулярные про­ филактические работы тем самым сводятся к функциям, выпол­ няемым электронным измерительным прибором: сравнению и идентификации.

В установке используется принцип: каждому режиму работы схемы соответствует своя определенная диаграмма излученияТа­ ким образом, для правильно функционирующей схемы можно оп­ ределить эталонный профиль. Соответствующие диаграммы излу­ чения можно также определить для каждого типа дефектов или неправильных режимов работы. Любой режим работы схемы, нор­ мальный или ненормальный, может быть определен в результате сравнения диаграммы излучения с эталонной, а в случае несовпа­ дения сравниваемых диаграмм — с диаграммами, соответствую­ щими различным дефектам схемы.

Помимо анализа дефектов, которые могут быть выявлены с помощью обычной измерительной аппаратуры, «Компер» может выявить дефекты, которые нельзя обнаружить другими метода­ ми, но которые иногда становятся причиной отказов. К таким де­ фектам относится наличие компонентов с аномальной мощностью рассеивания: резисторов, величина которых отклоняется от но­ минальных значений, электролитических конденсаторов с обратной полярностью и несогласованных элементов. Поскольку диаграммы инфракрасного излучения схемы можно периодически сравнивать с эталонной диаграммой, возможно выявление тех компонентов, ко­ торые имеют тенденции к отказу или к изменению параметров. Если ухудшение параметров значительно и сравнение диаграмм выявляет сходство с аналогичным потенциальным отказом в ра­ боте схемы, то схему следует заменить.

«Компер» первоначально предназначался для анализа повреж­ дений в печатных схемах, которые были забракованы при элект­ рических испытаниях. Неожиданным оказался тот факт, что при­ бор можно непосредственно использовать для выявления дефектов схем. Система состоит из трех основных блоков: сканирующего ра­ диометра, электронного блока обработки данных и поворотного стола с непрерывной подачей исследуемых узлов.

Печатные узлы устанавливаются на столе с 16 позициями. На каждой позиции имеется разъем. Управление напряжениями, под­ водимыми к каждому контакту разъема в зависимости от типа исследуемого узла, осуществляется с помощью коммутационной

22

матрицы с программным управлением. Для подачи платы от места загрузки поворотного стола до позиции, па которой узел сканиру­

платы фокальной точкой радиометра производится с помощью оп­ тической системы, состоящей из набора зеркал. С помощью этой же системы осуществляется сканирование последовательно по длине платы после завершения каждого цикла развертки.

Расстояние между линиями развертки равно 1 мм, что соот­ ветствует диаметру чувствительной площадки детектора. Скани­ рование осуществляется со скоростью 4 линин/с. При сканирова­ нии радиометром схемы, к которой подведено питание, произво­ дится измерение температуры с точностью 0,05°С; выходной сиг­ нал формируется в виде растрового изображения. Изображение представляет собой распределение температур по поверхности схемы. Полное время сканирования — 100 с, из которых 45 с тра­ тится на полезный ход развертки и 55 с — на обратный ход.

Устройство обработки данных содержит запоминающее уст­ ройство (ЗУ) на магнитных сердечниках и вспомогательные схе­ мы, перфоратор, устройство считывания с перфоленты, которое считает программу с ЗУ для каждой конкретной схемы, и пульт управления.

На рис. 2.4 представлена схема объекта измерения, а на рис. 2.5 '— типичная профилограмма, полученная за одну линию раз­ вертки по всем 97 элементам разрешения за полный цикл скани­ рования схемыОбычно получается 180 таких профилограмм. Утолщённые линии обозначают уровни в 4-х выбранных точках на профилограмме, величины этих уровней вводятся в ЗУ, устрой­ ства обработки данных, а левый и правый уровень, являющиеся опорными, служат для градуировки профилограмм.

Принципиальная схема объекта — схема цифровой синхрони­ зации. Она была забракована при электрических испытаниях. При анализе было установлено, что в транзисторе Q2 имеется обрыв цепи в области база—эмиттер. Данные, полученные при сканиро­ вании схемы, выявили аномальные значения температуры на тран­ зисторах Q2, Qg и резисторах R]8; R26. Большие отклонения от нормального значения явились результатом обрыва в транзисто­ ре Q2. Этот транзистор управляет транзистором Qi, через который подается импульс на триггер Ъ\. Когда Q2 открывался, триггер не переключался в требуемое состояние и транзисторы Q9, Q4 запира­ лись. Этот процесс нашел отражение в аномальных уровнях теп­ лового поля для транзистора Q9, резистора R26 и резистора R[8 в

23

го

Рис. 2.4. Схема объекта испытаний.

для того, чтобы ом сказался на результатах измерений электри­ ческих параметров, необходимо от 2 до 20 мин. В некоторых слу­ чаях этот дефект вообще невозможно выявить обычными метода­ ми испытания схемыПри использовании инфракрасного метода этот дефект является достаточно явным, поскольку конденсатор с обратной полярностью потребляет значительный избыточный ток.

Таким образом, инфракрасный профиль схемы служит харак­ теристикой ее состояния при анализе и поиске дефектов.

§ 2.3. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЭЛЕМЕНТОВ

Контроль качества элемента может быть использован для оцен­ ки физической структуры материалов, определения качества сое­ динений, обнаружения скрытых дефектов такого рода, как трещи­ ны, пустоты и посторонние включения, а также для контроля свар­ ных и паяных соединений.

Объект можно исследовать инфракрасными методами в слу­ чае, если его температура отличается от температуры фона, на котором он наблюдается. Необходимый температурный градиент создается либо путем внешнего возбуждения объекта, когда тепло

В любом случае температура объекта при подаче возбуждения на­ чинает повышаться и постепенно достигает температурь1! теплового равновесия, при котором тепло, сообщаемое объекту извне, урав­ новешивается потерями тепла за счет теплопроводности, конвек­ ции и лучеиспускания.

На выходе радиометра, контролирующего такой объект, будет возникать электрический сигнал, возрастающий от уровня, соот­ ветствующего окружающей температуре, до уровня, соответствую­ щего температуре теплового равновесия объекта.

Способы возбуждения изменяются в зависимости от области применения и размеров исследуемых объектов. Один из таких спо­ собов заключается в том, что между двумя точками объекта соз­ дается разность температур. Эти точки выбираются таким обра­ зом, чтобы свойства проверяемого элемента влияли на тепловой поток между ними. Терморельеф поверхности между этими двумя точками характеризует распространение тепла и поэтому позволя­ ет обнаружить наличие любых аномалий, скрытых под исследуе­ мой поверхностью.

В примере применения данного метода, показанном на рис. 2.6, хорошее сварное соединение характеризуется наличием боль­ шой поверхности расплавленного металла и отсутствием узких по­ перечных сечений. Это соответствует очень малой величине тепло­ вого сопротивления и выражается в том, что температура между точками Р) и Р2 изменяется почти по линейному закону: по линии А. В отличие от этого плохое сварное соединение представляет собой узкое поперечное сечение, которое ограничивает тепловой

?7

поток через место соединения. Тепловое сопротивление в этой точ­ ке имеет большую величину, в результате чего разность темпера­ тур на сварном соединении получается также большой (как пока­ зано на рис. 2.6 линией В).

Рассмотренный метод может применяться для контроля каче­ ства паяных соединений нескольких последовательных или парал­ лельных спаев и сварных швов любой конфигурации. При дан­ ном методе исследуемый объект можно нагревать лучистой энер­ гией света, сфокусированного на объекте с помощью оптической системы. Разницу лучеиспускательной способности поверхности можно определить путем предварительного сканирования нагре­ того объекта, так как он имеет при этом одинаковую температуру во всех точках, или что еще лучше, лучеиспускательная способ­ ность в разных точках может быть уравнена путем нанесения од­ ного из нескольких (имеющихся для этих целей) термопластичес­ ких или термореактивных покрытий на основе полиэфирных, эпок­ сидных, силиконовых и полиуретановых соединений.

При другом методе создания градиента температуры внешним возбуждением одну из поверхностей исследуемого объекта подо­ гревают облучением, а на противоположной поверхности снимают карту распределения температуры (терморельеф). Этот метод обеспечивает контроль процесса диффузии тепла через поверхност­ ные слои материала и позволяет обнаруживать дефекты на пути диффузионного распространения тепла. Физические неоднородно­ сти — участки плохих соединений, пустоты или посторонние вклю­ чения — уменьшают передачу тепла от нагреваемой поверхности К поверхности, сканируемой инфракрасным радиометром. Поэтому температура в области неоднородностей оказывается более низ­ кой, чем в тех местах, где соединения имеют высокую прочность.

28

Принудительное воздушное охлаждение ненагреваемой поверхно­ сти объекта увеличивает разность температур между хорошо и плохо соединенными участками и облегчает обнаружение дефектов

такого рода.

Данный метод находит различные применения: от проверки нанесенных гальваническим способом покрытий до контроля ка­ чества сварных швов. В настоящее время этот метод входит в программы проверки корпусов ракетных двигателей, сотовых па­ нельных конструкций, лопаток роторов для вертолетов и реактив­ ных двигателей.

При использовании третьего метода объект помещают в усло­

снимают карту распределения температуры по поверхности объек­ та. Физические свойства материала по пути распространения теп­ ла от сердцевины объекта к его внешним поверхностям, а следо­ вательно и скрытые аномалии, сказываются на температурной кар­ те объекта. Этот метод наиболее удобен для проверки объектов значительной толщины, поскольку термостатные окружающие ус­ ловия по своему действию эквивалентны помещению источника тепла в середину объекта.

При внутреннем нагреве в результате рассеивания мощности происходит превращение части тока, протекающего через электри­ ческий или электронный компонент с конечным сопротивлением,

втепло. Возникающее при этом повышение температуры приводит

кпропорциональному увеличению мощности излучаемой поверх­ ностью данного элемента, и эта мощность может рассматриваться как параметр, характеризующий электрический режим компо­ нента.

Например, на рис. 2.7 нижняя кривая показывает эталонную термограмму углеродистого резистора, рассеивающего номиналь­ ную мощность. Эта кривая показывает, что максимальная темпе­ ратура имеет место в центре резистора и спад температуры по обе стороны от центра происходит одинаково, т. е. кривая симметрич­ на. Температура проволочных выводов резистора равна 34°С.

Термограмма дефектного резистора, рассеивающего точно та­ кую же мощность, характеризуется второй кривой на том же ри­ сунке. Максимум этой кривой приблизительно на 10°С превыша­ ет максимальную температуру эталонного резистора и смещен от центра резистора. Кроме того, температура правого вывода де­ фектного резистора приближается к окружающей температуре.

В данном случае между телом резистора и правым проволоч­ ным выводом имеется плохое механическое соединение, что пре­ пятствует соответствующей передаче тепла к правому выводу пу­ тем теплопроводности и вызывает перегрев тела резистора. Такие, дефекты не улавливаются другими методами контроля, в то время как применение инфракрасного метода в данном случае эффек­ тивно.

29