Теплофизические методы диагностирования ИМС

В большинстве элементов РЭУиС часть всех форм энергии, в них циркулирующей, превращают в тепловую. Интенсивность вы­работки тепловой энергии зависит от параметров элементов ИМС, в том числе от наличия в них скрытых дефектов, вменение па­раметров элементов схемы (ИМС) могут привести к изменению общих характеристик теплового поля, что дает возможность выя­вить те компоненты, параметры которых находятся вне допуска.

Задача диагностирования ИМС на базе теплофизических методов в общем виде формулируется как задача идентификации теплового поля ИМС, как объекта диагностирования с эталонным полем. Эталонные тепловые поля могут быть получены как экспери­ментальным путем, так и с помощью математического моделирования. Аналитические методы определения теплового поля разработаны недостаточно, дают значительные погрешности (от 50 до 100%) из-за множества ограничений и допущений, и основными в настоящее время являются экспериментальные методы.

Интенсивность теплового поля для диагностирования ИМС оценивают путем измерения температуры. Необходимо, однако, отметить, что поскольку температура является функционалом как теплофизических характеристик, так и условий обмена, то отож­дествление температуры с тепловым полем может привести к большим погрешностям.

Измеряют температуру используя контактные и неконтактные методы. К контактным методам относят:метод измерения с помощью термопар, достаточно простой, хо­рошо отработанный, но имеющий недостаток — температура из­меряется в локальных точечных участках схемы;

метод температурно-чуествительных красок — также простой и удобный, но его недостаток состоит в необратимости процессов и дискретности индикации значений температуры;

метод с использованием жидкокристаллической индикации, ос­нованный на свойстве жидкокристаллических соединений, приобретать окраску в зависимости от окружающей температуры. Применяя дифракционные и интерференционные методы регистрации измерений красителя, можно получать разрешающую способность до 0Л0.1°С

При использовании жидких кристаллов для диагностирования ИМС имеет место ряд ограничений, которые постепенно преодоле­ваются с развитием техники. Эти ограничения сводятся к следую­щему:

1. Удельная теплоемкость большинства холистеричеекмх ве­ществ, составляющих основу жидкого кристалла, составляет 1,5 Дж/см3, следовательно, теплоемкость ОД не должна превышать эту зеличинувеличину.

2. Размеры пятна, характеризующие разрешающую способность жидкого кристалла, не менее 0,02 мм, что накладывает ограниче­ния на размеры диагностируемого теплового поля и снижает воз­можности метода при диагностировании ИМС.

3. Постоянная времени жидких кристаллов 0,1 ...0,2 с, что огра­ничивает допустимые скорости изменения температуры ОД.

4. Температурный диапазон, исследуемый с помощью жидких кристаллов, составляет 0... 100°С.

5. Поверхность ОД должна быть по возможности черной, по­скольку жидкие кристаллы не поглощают, а селективно рассеива­ют свет.

Неконтактные методы измерений характеристик теплового поля основаны на свойствах тел излучать электромагнитную энергию, пропорциональную их температуре. Они подразделяются на методы с одновременной регистрацией теплового излучения ОД и методы с последовательной регистрацией теплового излучения.

В настоящее время созданы многоэлементные приемники со среднеквадратичным отклонением интегральной чувствительности не более 15% для 10 элементов схемы и 30% — для схем из 100 элементов. Последовательный неконтактный контроль теплового поля ведется следующим образом. В определенной точке ОД приемник фиксирует тепловое поле, превращающееся в электрический сигнал, который усиливается и регистрируется. Развертка луча приемника-преобразователя осуществляется с помощью механической, оптико-механической или фотоэлектронной системы. Приборы-регистраторы тепловых профилей (тепловых полей) называют радиометрами (микрорадиометрами, тепловизорами).

Современные микрорадиометры имеют эффективные параметры. Так, быстродействующий тепловизор БТР-1 с индикацией на экране ЭЛТ имеет поле обзора 4,5X4,5°, пространственное разреше­ние в 4 угловые минуты, диапазон измеряемых температур от 200 до 300° С, разрешение по температуре 0,4° С, время сканирования 16 кадров в секунду, число строк в кадре — 100. Инфракрасная камера модели Т-7 фирмы Baznes имеет поле обзора 25x12°, диа­пазон температур — от —20 до 250° С, разрешение по температу­ре 0,1° С, время сканирования 0,25 с с числом строк в кадре 120, числом элементов в строке 250 и индикацией на ЭЛТ.

Основными техническими параметрами ИК приемников явля­ются: порог чувствительности — минимальная величина обнару­живаемого теплового потока; величина выходного сигнала на еди­ницу потока подающего излучения; инерционность приемника, оп­ределяемая его постоянной времени.

Порог чувствительности

Л,рмп,1п ^sj\(Ujulu)(M%

где Е — плотность подающего на приемник излучения, Вт/см2; 5П Sп — площадь приемника, см2; UcfUm Uc/Uш — отношение выходного сигнала к шуму. Обычно порог чувствительности измеряется при воздействии на приемник излучения черного тела с температурой 300° С для неохлаждаемых и 100° С — для охлаждаемых прием­ников.

Для сравнения приемников ИК излучения с различными раз­мерами приемных площадок вычисляется величина приведенного порога чувствительности

Д*(1С0, 400, l) = Sn/PnpMmln(100f 400, 1),

где (100, 400, 1) —температура 100° С, частота модуляции элект­рического сигнала — 400 Гц, полоса пропускания приемника — 1 Гц.

При одинаковом напряжении, приложенном к слоям с различ­ными светочувствительными площадями, величина порогового по­тока пропорциональна площади светочувствительного слоя:

Порог чувствительности приемника

где Р прм min — порог чувствительности приемника при абсолют­ной температуре источника Т°;

ST — поверхность источника при температуре Т, где

EoT° и ЕоТ — спектральная плотность излучения источника в от­носительных единицах при температурах источников Т° и Т; ф(λ)—относительная спектральная чувствительность приемника.

Теплофизические методы с успехом могут быть использованы для диагностирования качества электрических контактов в раз­личных элементах РЭС.

Долговечность электрического контакта определяется его соп­ротивлением (сопротивлением контакта), т. е. электрическим соп­ротивлением на границе двух проводящих элементов соединения.

Полное сопротивление электрического соединения ZΣ =Zm + Zk, где Zm — объемное сопротивление металлических частей; Zk — сопротивление контакта. Отношение ZΣ /Σk для различных видов электрических соединений характеризуется значениями: разъем «штепсель-гнездо» —3... 5; разъем печатной платы —10...20; контакты реле и переключателей 5...20, в специальных ре­ле — до 100.

Экспериментальным путем установлено, что между начальны­ми значениями Zk и долговечностью существует жесткая корреля­ционная связь.

Участки контакта очень малы и реагируют на прохождение то­ка за 1 мкс, в то время как объем металла реагирует на тот же импульс тока за 1 с. Следовательно, импульс тока длительностью в 1000 мкс будет влиять на участки контакта, а на другие его эле­менты оказывать влияния практически не будет. Для достижения этого эффекта требуется величина тока, определяемая из соотно­шения I = K/Zk, где К — постоянная для данного материала вели­чина. Возрастание Zk вследствие деградации уменьшает темпера­туру, что является признаком наличия дефекта.