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

М И Н И С Т Е Р С Т В О О Б О Р О Н Ы СССР

Н. С. ДАНИЛИН, О. Д. БАКЛАНОВ, Ю. И. ЗАГОРОВСКИЙ

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ Н Е Р А З Р У Ш А Ю Щ Е Г О ~

ИНФ РАКРАСНОГО КОНТРОЛЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫ Х СХЕМ

1974

ния. Обсуждаются методы реализации бесконтактных дефектоско­ пов, оптимизации их основных характеристик с учетом различной априорной информации относительно исследуемых объектов конт­ роля.

Даются принципы конструирования аппаратуры инфракрасно­ го контроля, определения ее качественных показателей и примене­

2 -

В В Е Д Е Н И Е

Проблема качества и надежности является одной из самых трудных проблем современной радиоэлектроники и техники в це­ лом. Неуклонное повышение качества и надежности рассматри­

вается как важнейший резерв повышения производительности и эффективности труда в нашем социалистическом государстве, усиления обороноспособности нашей Родины. В решениях XXIV

съезда КПСС, сентябрьского (1965 г.) Пленума ЦК КПСС и в Постановлении ЦК КПСС (ноябрь 1967 г.) отмечается, что по­ вышение технического уровня, качества, надежности и сроков службы изделий является первоочередной государственной зада­ чей. Трудности решения этой задачи состоят прежде всего в том,

что пути решения проблемы надежности в известной мере проти­ воречивы проблемам сложности и функциональной значимости; качествам воспроизведения сигналов но радиоизмерительным, командным и телевизионным каналам; быстродействию электрон­

но-вычислительных машин. Все возрастающей трудностью в реше­ нии проблемы надежности следует считать то, что требования к повышению надежности значительно опережают возможности их реализации и экспериментальной проверки.

В создавшихся условиях проведение непосредственных натур­ ных испытаний при высоких значениях показателей надежности приводят в ряде случаев к тому, что либо объем выборки, требуе-i мой для подтверждениязаданного уровня, оказывается соизмери­ мым с объемом партии выпускаемой продукции, либо продолжи­

тельность испытаний исчисляется временем, по истечении которо­ го информация не имеет практического смысла вследствие «мо­ рального» старения испытуемой радиоэлектронной аппаратуры, либо оба обстоятельства совмещаются и делают задачу контроля надежности неразрешимой.

Единственным выходом в таких случаях представляются поис­ ки методов оперативной оценки качества и надежности, которые позволили бы получить информацию за время испытаний, значи­ тельно меньшее гарантийного.

а

3

Развитие методов оперативной оценки надежности современ­ ных радиоэлектронных средств, использующих высоконадежные полупроводниковые узлы и схемы интегральной электроники, в основном идет по направлению фиксации явлений, предшествую­ щих появлению отказа, и направлению использования форсиро­ ванных режимов, выходящих за пределы норм технических услог вий (ТУ).

Первое направление наиболее тесно связано с неразрушающи­ ми методами контроля, под которыми понимаются методы изме­ рения физических, физико-химических и других характеристик ма­ териалов и изделий, в том числе характеристик и параметров электрических сигналов и цепей, при сохранении качества (ресур­ са, надежности) контролируемого изделия.

Неразрушающие методы позволяют повысить объективность, полноту и скорость проведения контроля качества материалов и изделий, осуществлять сплошной контроль вместо выборочного, проводить активный контроль непосредственно в процессе изго­ товления материалов и изделий. Применение неразрушающего контроля является обязательным при производстве многих изде­ лий, особенно тех, от которых требуется высокая надежность, на­ пример, устройств микроэлектроникиСреди физических методов неразрушающего контроля особое место занимают методы, осно­ ванные на использовании достижений инфракрасной техники.

Описанию теории и методов реализации указанного направле­ ния на основе анализа теплового поля, излучаемого радиоэлект­ ронными схемами РТС, посвящено предлагаемое учебное пособие. Оно содержит материал, необходимый курсантам высших военных училищ соответствующей специализации для ознакомления с перспективными направлениями теории и практики неразрушаю­ щего контроля качества и надежности микроэлектронной аппара­ туры, а также для проектирования систем бесконтактного нераз­ рушающего контроля.

Авторы благодарны кандидату технических наук А. П. Сополеву за сделанные ценные критические замечания и помощь в рабо­ те над рукописью, кандидатам технических наук Н. В. Щербако­ вой, В. Ф. Чернышу, Е. П. Второву, инженеру Н. И. Вернигора за предоставленные материалы и сотрудничество, доктору техничес­ ких наук Э. В. Лысенко, взявшему на себя труд рецензирования рукописи.

4

ГЛАВА 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

§, 1.1, ПРИРОДА ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ЕГО МЕСТО

ВСПЕКТРЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН

Вприроде ничто не обходится без теплообмена. Любые тела имеют определенную температуру и находятся в постоянной теп­ ловой связи с окружающими их другими телами. Теплообмен про­

Тепловое излучение было открыто в 1800 году Гершелем, ко­ торый, изучая тепловой эффект различных участков солнечного спектра, установил, что максимум тепловой энергии лежит за пределами видимой части спектра, за его красной областью. На

основании этих опытов Гершель предположил, что существуют два вида излучения — световое и тепловое. Он провел первые ис­ следования теплового излучения и доказал, что оно подчиняется основным законам оптики.

Область спектра, на которую приходится максимум тепловой энергии, получила название инфракрасной. Были созданы и усо­ вершенствованы новые приемники излучения, позволившие опре­ делить протяженность по спектру инфракрасного излучения и сделать выводы о его основных свойствах. Уже в начале XX века

сформировалось окончательное представление об инфракрас­ ном излучении как области спектра электромагнитных воли и оп­ ределились черты, отличающие эту область от видимой и радиообластей.

5

Природа инфракрасного излучения связана с атомными и молекулярными процессами в веществах во всех формах их агре­ гатного состояния. Согласно современным представлениям ИК излучение, как и свет, обладает как волновыми, так и корпуску­ лярными свойствами, которые дополняют друг друга.

Различные вещества выделяют ИК излучения в каком-то опре­ деленном состоянии — плазменном, газообразном, жидком или твердом. Если температура при переходе вещества из одного агре­

состояния составляющих молекулу отдельных атомов и групп ато­ мов, а тйкже изменением вращательного движения' молекулы. Излучение атомов является следствием перехода электронов меж­

проводниках. Каждому типу перехода электронор-между .высшими энергетическими уровнями соответствует излучение с узкой поло­ сой длин волн инфракрасного спектра. Большинство атомарных инфракрасных линий спектра, соответствующих излучению от­ дельных атомов, имеет сравнительно малую ширину и лежит не­ посредственно около красной части спектра видимого света в так называемой близкой инфракрасной области.

За нижний предел ИК области спектра берется длинноволно­ вая граница . чувствительности человеческого глаза ( ~ 0,75— 0,77 мкм); верхний предел точно не установлен .и лежйт в' облас-

ограниченные участки: коротковолновое, средневолновое и длинно­ волновое излучение. Это подразделение условно и определяется главным образом измерительными приборами. Оно со временем меняется, так как меняются сами приборы.

Наиболее распространено следующее деление:

0.75—1,5 мкм — коротковолновое (ближнее) ИК излучение; 1,5—15 мкм — средневолновое (среднее) ИК излучение; 3,15—1000 мкм — длинноволновое (дальнее) ИК излучение. Ближнее ИК излучение по евши свойствам почти аналогично

видимому свету, и поэтому для его обнаружения используются те же физические методы, что и для видимого света. Для дальнего ИК излучения единственным наблюдаемым физическим эффектом является тепловой, что и заложено в основу обнаружения этого

6

излучения. Среднее ИК излучение обладает некоторыми, но не всеми свойствами видимого света.

Одно изменение более существенного в энергетическом отно­ шении колебательного движения молекулы сопровождается нес­ колькими изменениями ес вращательного движенияПри этом излучается комбинация квантов колебательного движения с кван­ тами вращательных движений молекулы, сопровождающаяся не только одной линией монохроматического излучения, соответствую­ щего определенному изменению колебательного движения моле­ кулы, но и целой группой, близко и правильно следующих друг за другом линий, создающих полосу ее суммарного вращательно-ко­ лебательного спектра. Следует отметить, что кроме понятия длинь! волны К, которым мы все время пользовались для характерис­ тики инфракрасного излучения, часто применяется понятие волно--

вого числа v (число длин волн, укладывающихся в отрезке, равном одному сантиметру):

где v — частота, с~и,

с — скорость света.

Для шкалы длин волн ИК спектра наиболее употребительная единица измерения микрон (мкм); для шкалы волновых чисел — обратный сантиметр (см-1).

Взаимное расположение линий в ИК спектре излучения вслед­ ствие изменения движений молекулы зависит от ее структуры и непосредственно связано с энергией испускаемых квантов.

§ 1.2. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

.' . ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Монохроматическое излучение представляет собой по кванто­ вой теории поток квантов одинаковой энергии, а по волновой тео­ рии характеризуется одинаковой частотой электромагнитных ко­ лебаний. Постоянная величина отношения энергии кванта к соот­ ветствующей частоте

к= (6,62517 ± 0,00023)-10 -34 Дж-с.

Взависимости от приемных устройств и спектрального состава измеряемого излучения установлены две системы единиц: в види­

мой части спектра энергия обычно измеряется в светотехнических

7

энергию. Интенсивность излучения одинаковых по площади участ­ ков может быть различнойДля оценки равномерности излучения вводят понятие поверхностной плотности испускаемого телом по­ тока излучения — энергетической светимости. Иногда эту величи­ ну называют излучаемостью и определяют как

Вт-см-0-. (1.8)

Количественно энергетическая светимость равна отношению потока излучения внутри телесного угла 2я к площади излучаю­

щей поверхности.

Величиной, аналогичной энергетической светимости, является поверхностная плотность лучистого потока, падающего на поверх­ ность — энергетическая освещенность, равная отношению лучис­

Часто применяется величина, характеризующая поверхностную плотность потока излучения в данном направлении — энергети­ ческая яркость. Она равна отношению энергетической силы света к площади проекции излучающей поверхности на плоскость, пер­ пендикулярную к направлению излучения:

где ер — угол между нормалью к излучающей поверхности и на­ правлением, в котором измеряется энергетическая яркость.

Поверхности с неравномерной яркостью характеризуются вели­ чиной В_-, равной

Величины I, R и В характеризуют излучательные свойства ис- , точника и могут быть определены при помощи измерений, произ­ водимых на расстоянии от источника, если нет потерь в среде, или если эти потери можно точно учесть.

При вышеизложенном рассмотрении не учитывался спектраль­ ный состав лучистого потока. На самом деле все источники излу­ чают энергию в широком диапазоне длин волн.

Для характеристики спектрального состава излучения вводят­ ся понятия спектральных величин, или спектральных интенсивнос­ тей. Под монохроматическим потоком излучения будем понимать

9