заработок на кликах
Вы еще не зарегестрированы на Uchit.net? Зачем?
Login: Pass:

Акустические и капиллярные методы контроля РЭСИ. Электролиз (пузырьковый метод)

реферат: Коммуникации и связь

Оцените работу
всего оценок0 общий балл0
Зарегистрируйтесь

Министерство образования Республики Беларусь

Белорусский государственный университет информатики и

радиоэлектроники


кафедра РЭС










РЕФЕРАТ

на тему:

«Акустические и капиллярные методы контроля РЭСИ. Электролиз (пузырьковый метод)»











МИНСК, 2008

Акустические методы


Акустические методы основаны на применении колебаний звукового и ульт­развукового диапазонов от 50 Гц до 50 МГц.

В ГОСТ 238229 приводится подробная классификация акустических методов и приборов неразрушающего контроля материалов и изделий. Наиболее широ­кое применение в настоящее время получила ультразвуковая дефектоскопия и в частности методы: прошедшего излучения (теневой метод), резонансного и от­раженного излучения (эхо-метод).

Метод прошедшего излучения (теневой метод) заключается в том, (см. рис. 1, а) что с одной стороны контролируемого изделия (8) при помощи излучателя (6) вводят ультразвуковые колебания (УЗК), а с другой стороны при помощи приемника (7) регистрируют интенсивность прошедших колебаний. При посто­янной толщине и однородном материале контролируемого изделия уровень ин­тенсивности УЗК, падающих на приемник, почти постоянен, а показания инди­катора будут незначительно колебаться около некоторого определенного значе­ния, которое принимают за исходное.

Если на пути УЗК встречается дефект, то часть ультразвуковой энергии отра­зится от него и интенсивность колебаний, падающих на приемник, резко умень­шится, т. е. на головку приемника падает тень от дефекта. Для применения теневого метода необходим двусторонний доступ к контролируемому изделию, что является недостатком метода.

Резонансный метод ультразвукового контроля (рис.1,6) основан на возбуж­дении в объекте стоячих волн, возникающих в результате интерференции вво­димых в объект упругих колебаний и колебаний, отраженных от раздела «объект-воздух» или другой среды. Это возможно при условии получения резонанса вслед­ствие совпадения собственной частоты объекта и частоты возбуждаемых в нем упругих колебаний. Момент достижения резонанса фиксируют по импульсам на экране блока регистрации резонансов (4).

Данный метод применяют в основном для измерения толщины изделий с од­носторонним доступом, а также для выявления неоднородностей в биметаллах, расслоений в многослойных изделиях и зонах межкристаллической коррозии.

Эхо-метод ультразвуковой дефектоскопии получил наиболее широкое при­менение. Он основан на введении в контролируемый объект при помощи излу­чателя (1) (рис.3.3,в) коротких импульсов УЗК и регистрации (блоком индика­ций) интенсивности и продолжительности прихода эхо-сигналов, отряженных


Рисунок 1 Схемы ультразвукового контроля

а метод прошедшего излучения (теневой); б резонансный метод; в эхо-метод; 1 блок генератора; 2 блок усилителя; 3 блок индикатора;

4 блок регистрации резонансов; 5 демпфер;

6 излу­чатель; 7 демпфер приемной головки;

8 контролируемый объект;

9 дефект.


от дефектов. УЗК, встречающие на своем пути дефекты (поры, расслоения, тре­щины, структурную неоднородность и т.д.), частично отражаются и в виде эха попадают обратно на головку излучателя. Остальная часть колебаний достигает противоположной стороны контролируемого объекта, отражается от раздела объект-воздух или другой среды, и также как эхо, попадает на головку излучате­ля. При этом отраженные от дефекта УЗК возвращаются раньше, чем от проти­воположной стороны объекта, поэтому вначале на экране дефектоскопа появля­ется импульс от дефекта (ДЕФ), а затем от противоположной стороны объекта (донный сигнал Д). На экране они располагаются один за другим на расстоя­нии, соответствующим продолжительности их возвращения. Измеряя промежу­ток времени от момента посылки импульса (начальный сигнал Н) до момента приема эхо-сигнала (донного сигнала Д) определяют расстояние до дефекта. По амплитуде эхо-сигнала судят о размерах дефекта. На передней панели дефектос­копа для этого имеется шкала, отградуированная в сантиметрах.

Критерием отбраковки при контроле служит амплитуда эхо-сигнала, а также условные глубина и ширина дефекта. Минимальные размеры выявленных де­фектов по глубине 0,1... 0,3 мм и по ширине 0,001... 0,003 мм.


Капиллярные методы


Методы основаны на капиллярном проникании индикаторных жидкостей (пенетрантов) в полости поверхностных, сквозных несплошностей контроли­руемого изделия и регистрации образующихся индикаторных следов визуаль­но или с помощью преобразователя. Капиллярные методы устанав­ливаются ГОСТ 18442-80 и их широко применяют для контроля изделий.

Схема процесса капиллярного цветового МНК приведена на рис.2. На по­верхность контролируемого изделия наносят специальную жидкость с большой смачивающей способностью, предварительно добавляя в нее в каче­стве индикатора люминофор (люминесцентный метод) или краситель (цветной метод). После определенной выдержки, для проникновения индикаторной жидкости в дефекты, ее остатки удаляют с поверхности изде­лия промывкой водой специальными очищающими составами или продувкой газопорошковой струей. Продолжительность выдержки изделия в индикатор­ной жидкости определяют по формуле:

где

τ - время выдержки;

η - коэффициент вязкости жидкости;

- расстояние, на которое жидкость проникает в полость дефекта;

σ - поверхностное натяжение;

А - раскрытие дефекта;

θ - угол смачивания.

К контролируемому изделию предъявляются следующие требования:

  • чистота обработки поверхности изделия должна быть не менее >V5;
  • материал изделия должен быть непористым и стойким к воздействию органических растворителей;
  • форма и размеры контролируемых изделий могут быть любыми и состоять из черных и цветных металлов, пластмасс, стекла и керамики.


Рисунок 2 Схема процессов капиллярного цветового метода.

а) изделие очищено от загрязнений;

б) на поверхность изделия нанесена проникающая в дефекты индикаторная жидкость «и» (пенетрант);

в) с поверхности изделия удалены излишки прони­кающей жидкости;

г) нанесен тонкий слой проявителя и остав­шаяся в дефекте жидкость окрашивает проявитель или флуорес­цирует над дефектом.

Метод позволяет контролировать также объекты, изготовленные из ферро­магнитных материалов, если их магнитные свойства, форма, вид и месторас­положение дефектов в них не позволяют достигать требуемой чувствительно­сти магнитопорошковым или ферромагнитным методами.

Капиллярные методы подразделяются на четыре класса чувствительности (таблица 1).


Таблица 1

Классы чувствительности капиллярных МНК.

Класс чувствительности капиллярных МНК

Минимальный размер (раскрытие дефектов), мкм

1

Менее 1

2

1 - 10

3

10 - 100

4

100 - 500

технологический

не нормируется


Обозначение обнаруженных дефектов:

II параллельный главной оси объекта,

L перпендикулярный к оси объекта,

< - расположенные под углом,

А единичные, Б групповые, В повсеместно распределенные,

О допустимые, без знака недопустимые,

* сквозные дефекты.

Пример обозначения дефектов:

AII - дефект единичный, допустимый, сквозной, расположенный парал­лельно главной оси объекта.

Недостатки метода:,

длительность процесса -20 мин;

необходимость тщательной очистки поверхностей изделий.


Электролиз (пузырьковый метод).


В последнее время все большее распространение получают комбинированные методы, сочетающие два или более различных по физической сущности МНК. Таким примером могут служить электрохимические методы. В их основе лежат различные способы, позволяющие визуализировать дефекты, реакциями у дефектных мест или декорированием. Рассмотрим, например, метод, осно­ванный на реакциях у дефектных мест с образованием газовых пузырьков.

Метод применяется для обнаружения дефектов типа сквозных пор и отвер­стий в диэлектрических пленках. Указателем наличия пор (микроотверстий) являются локально выделяющиеся из дефектных мест газообразные продукты электролиза электролита, наблюдаемые под микроскопом или по току в цепи электрод-электролит-подложка.

В качестве электролита могут быть использованы следующие растворы:

  • слабый водный раствор KCL (3-10- процентный);
  • раствор серной кислоты (2-3 процентный);
  • ацетон или метиловый спирт;
  • деионизованная вода, CuSO4 и желатин.




Рисунок 3 Виды включения измерительной ячейки электролит-пленка-подложка

а) без смещения; б) прямое смещение; в) обратное смещение.


Условием определения дефектности пленок с помощью данного метода яв­ляется проникновение раствора электролита в поры исследуемой пленки.

Такое проникновение возможно далеко не всегда: большое поверхностное натяжение на границе раствор-пленка, малый размер пор и отсутствие смеще­ния на ячейке препятствуют проникновению раствора к полупроводниковой пластине (см. рис.3,а)

При приложении напряжения определенной величины и полярности (« - » к кремниевой подложке, «+» к раствору электролита рис. 3,б) наблюдается выделение пузырьков газа (водорода) и появляется электрический ток. Это объясняется тем, что на границе «раствор диэлектрик» имеется двойной электрический слой, образованный адсорбированными ионами раствора элек­тролита.

Полярность этого слоя обычно определяется правилом Коэна: тела с боль­шей диэлектрической проницаемостью заряжаются положительно. Так как диэлектрическая проницаемость большинства пленок находится в пределах 4-10, а водных растворов электролитов до 81, то полярность двойного электри­ческого слоя на границе раствор-диэлектрик будет соответствовать положительному заряду раствора. На каплю раствора в этом случае будут действовать силы, стремящиеся затянуть ее в пору диэлектрика. Затягивание раствора в мелкие капилляры происходит только при достижении определенного напряжения (20 -50 В).

При приложении напряжения обратной полярности между подложкой и раствором будет происходить выталкивание капли раствора из поры (см. рис.3,в)

Процесс электролиза включает в себя следующие стадии:

-диссоциация молекул воды


  (1)


-образование иона гидроксония


   (2)


  • дрейф иона гидроксония к катоду (исследуемой пластине кремния с пористым диэлектриком SiO2);
  • нейтрализация иона гидроксония электроном


  (3)


-образование молекулы водорода


  (4)


-формирование из молекул Н2 пузырька водорода и всплытие его в жидко­ сти под действием выталкивающей силы F, равной:


  (5)

где

R радиус пузырька;

рж плотность жидкости;

g ускорение свободного падения.

Ток в поре диэлектрика определяется по формуле:


  (6)


где

е заряд электрона;

N число молекул водорода в объеме пузырька;

t время образования пузырька.

От напряжения внешнего электрического поля зависят лишь третий и чет­вертый этапы. Оценка пористости пленки включает в себя определение диа­метра пор и числа пор на единицу поверхности.

Оценка диаметра пор может проводиться следующими методами:

1) Визуально, по радиусу окрашиваемого пятна


  (7)

где

радиус поры;

к поправочная функция на несферичность пузырька;

радиус пузырька водорода;

σ поверхностное натяжение на границе газ-раствор.

Радиус пор может быть вычислен также по  приближенному соотношению:


(8)

2) По номограмме.

Для определения величины диаметра поры необходимо значение диа­метра пятна соединить прямой линией со значением напряжения (см. рис. 4). Затем прямой линией соединить значения времени и толщины окисной пленки кремния . Точки пересечения этих прямых (а и b) со вспо­могательными осями 1 и 2 соединяются между собой, и точка пересечения (δ) этой линии с осью определяет величину диаметра поры. Этот метод оценки размера сквозных дефектов может быть использован практиче­ски для любых диэлектрических пленок.

3) По ВАХ структурам (полупроводник-диэлектрик-электролит ПДЭ).

Если при обратной полярности по цепи структуры ПДЭ протекает ток в несколько миллиампер (см. рис.5), то это свидетельствует о том, что все существующие в диэлектрической пленке поры имеют размеры, пре­вышающие 1 мкм. Мелкие поры характеризуются отсутствием тока в данной цепи.

Оценка среднего числа пор на единицу поверхности производится по формуле:


  (9)


где - общее количество дефектов при фиксированном поле;

S площадь исследуемой структуры;

к число наблюдений при фиксированном поле.

Зависимость пористости диэлектрических пленок на кремниевых под­ножках от способов получения пленок представлена в таблице 3.

Испытательная ячейка для электролиза представлена на рис. 6.


Рисунок 4 Определение величины диаметра поры по номограмме.


Рисунок 5 ВАХ структуры полупроводник-диэлектрик-электролит


Таблица 3

Зависимость пористости диэлектрических пленок на кремниевых подложках от способов получения пленок

N

Различные способы осаж­дения пленок SiO2

Плотность пор,

см2

Эффективный диа­метр пор, мкм

1

Термические

10-60

0,1 - 0,5

2

Термические, после опе­рации фотолитографии

100 - 500

102- 103

3

Пиролитические

50 - 200

0,1 -0,5

4

Электронно-лучевые

104 - 105

0,01 - 0,05

5

Катодные

104 - 106

0,1 - 10


Рисунок 6 Испытательная ячейка для электролиза

1 исследуемая структура; 2 нижний электрод; 3 - резиновое кольцо; 4 электролит; 5 верхний электрод.

ЛИТЕРАТУРА


  1. Глудкин О.П. Методы и устройства испытания РЭС и ЭВС. М.: Высш. школа., 2001 335 с        2001
  2. Испытания радиоэлектронной, электронно-вычислительной аппаратуры и испытательное оборудование/ под ред. А.И.Коробова М.: Радио и связь, 2002 272 с.
  3. Млицкий В.Д., Беглария В.Х., Дубицкий Л.Г. Испытание аппаратуры и средства измерений на воздействие внешних факторов. М.: Машиностроение, 2003 567 с        2003
  4. Национальная система сертификации Республики Беларусь. Мн.: Госстандарт, 2007        2007
  5. Федоров В., Сергеев Н., Кондрашин А. Контроль и испытания в проектировании и производстве радиоэлектронных средств Техносфера, 2005. 504с.


 
Дружить
Uchit.net в социальных сетях