CC BY
89
УДК 620.179.118.2 DOI 10.21685/2307-5538-2019-1-7
И. А. Кострикина, Л. А. Макаркин
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ОБЪЕКТОВ ВЫСОКОГО КЛАССА ЧИСТОТЫ
I. A. Kostrikina, L. A. Makarkin
METHOD OF MEASURING ROUGHNESS OBJECTS OF HIGH CLASS OF PURITY
Аннотация. Актуальность и цели. Объектом исследования являются ситалловые подложки высокого класса чистоты. Предметом исследования являются способы измерения параметров шероховатости с малыми значениями Rz. Целью работы является разработка способа измерения шероховатости поверхности высокого класса чистоты путем применения профильной меры. Материалы и методы. Для описания процесса измерения шероховатости использована Гауссова модель. Рассмотрен контактный метод измерения шероховатости. Результаты. Предложен подход к реализации измерений шероховатости поверхностей высокой чистоты, основанный на применении эталонной меры шероховатости, позволяющий повысить чувствительность контактного метода измерения шероховатости профилометром. Выводы. Метод измерений шероховатости поверхностей высокой чистоты позволяет повысить чувствительность стандартных профиломет-ров. Предложенный метод измерения шероховатости за счет использования эталонной профильной меры шероховатости обеспечивает возможность измерения на поверхностях высокого класса чистоты применением стандартных профилометров среднего класса точности.
Abstract. Background. The object of the research is high-purity sieveall substrates. The subject of the research is the methods of measuring roughness parameters with small Rz values. The aim of the work is to develop a method for measuring the surface roughness of high grade purity by applying a profile measure. Materials and methods. To describe the process of measuring the roughness used a Gaussian model. The contact method of roughness measurement is considered. Results. An approach to the implementation of measuring the roughness of surfaces of high purity, based on the use of a reference roughness measure, allows to increase the sensitivity of the contact roughness measurement method with a profilometer. Conclusions. The method of measuring the surface roughness of high purity, allows to increase the sensitivity of standard profilometers. The proposed method for measuring roughness through the use of a standard profile measure of roughness makes it possible to measure on surfaces of high grade purity using standard profilometers of the middle class of accuracy.
Ключевые слова: объект исследования, ситалловые подложки, измерение шероховатости поверхности.
Keywords: object of research, sitall substrates, surface roughness measurement.
Детали могут иметь различную шероховатость поверхностей, зависящую от способов их изготовления.
Характеристики и параметры шероховатости поверхностей устанавливает ГОСТ 2789-73, требования которого распространяются на поверхности изделий независимо от их материала и
© Кострикина И. А., Макаркин Л. А., 2019
способа изготовления (исключение составляют ворсистые, пористые и аналогичные поверхности).
Согласно стандарту ГОСТ 2789-73 под шероховатостью поверхности понимают совокупность неровностей поверхности с относительно малыми шагами, выделенную с помощью базовой длины (рис. 1).
Рис. 1. Параметры шероховатости
Базовую длину стандарт определяет как длину базовой линии, используемой для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности. Базовая линия имеет идеальную геометрическую форму, соответствующую номинальному профилю рассматриваемой поверхности. Она может быть прямой, дугой окружности или иметь иную форму, которая определяется нормальным сечением номинальной поверхности плоскостью. Шероховатость поверхности описывают характеристиками и параметрами микронеровностей профиля, получаемого путем сечения реальной поверхности плоскостью, направленной по нормали к ней. В случае, когда к реальной поверхности может быть проведено множество нормальных секущих плоскостей, выбирают сечение, имеющее максимальные параметры шероховатости, если направление измерения шероховатости не оговорено специально.
В работе [1] приведены 23 параметра шероховатости, однако на практике применяются Яг, Яа и Ятах (табл. 1).
Таблица 1
Термин Обозначение Определение
1 2 3
1. Базовая длина 1 Длина базовой линии, используемая для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности
2. Средняя линия профиля т Базовая линия, имеющая форму номинального профиля и проведенная так, чтоб в пределах базовой длины среднее квадратическое отклонение профиля до этой линии минимально
3. Средний шаг неровностей профиля Бт Среднее значение шага неровностей профиля в пределах базовой длины
4. Средний шаг местных выступов профиля Б Среднее значение шага местных выступов профиля в пределах базовой длины
5. Высота неровностей профиля по десяти точкам Яг Сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины XI урш\+XI у"т'\ Яг = -&-, X где уртг - высота /-го наибольшего выступа профиля; уитг - глубина /-й наибольшей впадины профиля
Окончание табл. 1
1 2 3
6. Наибольшая высота профиля Rmax Расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины
7. Отклонение профиля У Расстояние между любой точкой профиля и средней линией
8. Среднее арифметическое отклонение профиля Ra Среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины 11 Яа = 71| У¥х> 7 0 1 " Яа = 1Ц У|, П ,=1 где 1 - базовая длина; п - число выбранных точек профиля на базовой длине
Я - сумма средних абсолютных значений высот пяти наибольших выступов профиля и глубин пяти наибольших впадин профиля в пределах базовой длины; Яа - среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины; Ятах -расстояние между линией выступов профиля и линией впадин профиля в пределах базовой длины.
Существует большое количество методов измерения параметров шероховатости [2-10].
В основном все они делятся на две группы:
1) методы, основанные на дифракции электромагнитного излучения на неоднородной границе раздела сред (оптические и рентгеновские):
- метод светового сечения;
- растровый метод;
- рефлектометрический метод;
- метод слепков;
- метод сравнения с образцовой деталью;
- интерференционный метод;
2) прямые методы контроля микрорельефа:
- механическая профилометрия;
- атомно-силовая и туннельная микроскопия.
Каждому из методов измерения шероховатости поверхности присущи свои особенности, и выбор того или иного метода должен определяться конкретными задачами. Но наиболее точными являются прямые методы - профилометрические.
Суть профилометрического метода заключается в следующем [4, 7, 10]
По исследуемой поверхности перемещается специальная алмазная игла, колеблющаяся от неровностей поверхности. Такие колебания иглы передаются на датчик, где преобразуются в малые электрические токи, которые в свою очередь усиливаются и регистрируются. Показания выводятся на дисплей прибора и дают представление о характере неровностей исследуемой поверхности - их высоте и глубине.
Однако данный метод имеет один большой недостаток, он является разрушаюшим и оставляет царапины.
В настоящее время при изготовлении многих изделий электронной техники при тонкопленочной технологии применяют ситалловые подложки, в частности СТ-50-1, разных классов [3].
Ситалловые подложки СТ-50-1 представляют собой пластины из стеклокерамическо-го материала на основе стекла и предназначены для изготовления пленочных микросхем (рис. 2).
Технические характеристики СТ-50-1
Шероховатость рабочей поверхности Rz - не более 0,032 мкм.
Шероховатость нерабочей поверхности Rz - не более 4 мкм.
Плотность СТ-50-1 ситалловой подложки - от 2,6 до 2,7 г/см3.
Микротвердость - 705 кгс/мм2.
Термостойкость - + 210° С.
Диэлектрическая проницаемость при частоте 1 МГц - от 8 до 9.
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 МГц - не более 15.
Удельное объемное электрическое сопротивление при температуре + 100° С - 1014 Омсм.
Температурный коэффициент линейного расширения Альфа107 К-1 в интервале температур от + 20° С до + 300° С - от 50 до 54.
Габаритные размеры - 60^48^0,6 мм.
Одним из главных параметров подложек является шероховатость поверхности Rz, которая согласно техническим условиям должна быть не менее 0,032 мкм - для 1-го класса и 0,1 -для 3-го класса.
Если с подложками 3-го класса проблем не возникает, то при применении подложек 1-го класса возникают проблемы с измерением малых значений Rz, так как не все профило-метры позволяют обеспечить данный диапазон измерения.
Такая проблема возникла в АО «НИИЭМП» при смене поставщика подложек 1-го класса.
На предприятии для контроля шероховатости применяется японский профилометр Surftest SJ-210 (рис. 3) со следующими характеристиками:
— минимальный диапазон/дискретность (25 мкм / 0,002 мкм);
— параметры Ra, Rq, Rz, Ry, Rv, Rt, R3z, Rsk, Rku, Rc, RPc, RSm, Rmax*1 Rz1max, S, HSC, RzJIS*2, Rppi, RAa, RAq, Rlr, Rmr, Rmr(c ), Rc, Rk, Rpk, Rvk, Mr1, Mr2, A1, A2, Vo, Rpm, tp, Htp, R, Rx, AR;
— длина трассы 0,08; 0,25; 0,8; 2,5 мм;
— число измерений x1, x2, x3, x4, x5, x6, x7, x8, x9, x10;
— автовыключение 10-600 с при работе от аккумуляторной батареи;
— разъемы USB, SPC, RS-232C, для удаленного управления, MicroSD;
— стандарты JIS'82, JIS'94, JIS'01, ISO, ANSI, VDA;
— результаты измерения: цифровые значения, кривая, график;
— питание: (Ni-MH) аккумуляторная батарея, до 4 ч;
— диапазон измерения профилометра Surftest SJ-210 Mitutoyo: Х-ось (17,5 мм), Z-ось 360 мкм (-200 мкм~ + 160 мкм);
— скорость трассировки: при измерении 0,25; 0,5; 0,75 мм/с; при возврате 1 мм/с;
— зонд: стилус радиусом наконечника 5 мкм.
Но при измерении шероховатости подложек оказалось, что Rz составляет от 0,050 до 0,055 мм вместо 0,032, причем на всех партиях.
Авторами были рассмотрены возможности других профилометров. Так, на приборе для измерений текстуры поверхности FORM TALYSURF 50 (рис. 4) были получены результаты, представленные на рис. 5.
Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль ■о-.............................................................................................
Рис. 3. Профилометр Surftest SJ-210
Рис. 5. Результаты калибровки
Из сертификата видно, что измеренное значение Rz составляет 0,0318 мкм.
На основании результатов, полученных на приборе FORM TALYSURF 50, авторами была разработана методика калибровки профилометра Surftest SJ-210 с целью обеспечения бесперебойного входного контроля ситалловых подложек.
Для этого была приобретена мера шероховатости ПРО-10 (рис. 6), характеристики которой представлены в табл. 2.
Рис. 6. Мера шероховатости ПРО-10
Таблица 2
Наименование характеристики Значение
Диапазон номинальных значений параметра Яа, мкм от 0,001 до 400
Диапазон номинальных значений параметра Я2, мкм от 0,002 до 1000
Диапазон номинальных значений параметра ЯБш, мкм от 1,0 до 8000
Предел допускаемой относительной погрешности воспроизведения параметра Яа (До), % от 12 до 0,1
Предел допускаемого относительного среднеквадратического отклонения параметра Я8ш (СКО), % 5
Габаритные размеры меры, мм, не более
- длина 10
- ширина 10
- толщина 2
Размеры рабочей области меры, мм, не более
- длина 5
- ширина 5
Масса меры, г, не более 120
Нормальная область значений температур, °С от + 15 до + 25
Относительная влажность воздуха, %, не более 80
Суть методики заключается в следующем. Проводится измерение значения меры шероховатости ПРО-10 (Rzn) на профилометре Surftest SJ-210 и определяется отклонение АЯгм значения меры от номинального значения Ягн по формуле
АЯгм = Ягн - Ягм.
Затем на том же приборе измеряется шероховатость ситалловой подложки (Rzn). За действительное значение шероховатости ситалловой подложки (Ягд) принимается значение, вычисленное по формуле
Ягд = Ягп - АЯгм.
Данная методика позволяет проводить измерения шероховатости объектов 13-го и 14-го классов чистоты с высокой достоверностью.
Библиографический список
1. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.
2. Уайтхауз, Д. Метрология поверхностей. Принципы, промышленные методы и приборы / Д. Уайтхауз. - Долгопрудный : Интеллект, 2009. - 472 с.
3. Невлюдов, И. Ш. Анализ методов контроля шероховатости подложек для изделий электронной техники / И. Ш. Невлюдов, И. В. Жарикова, И. Д. Перепелица, А. Г. Рез-ниченко // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2014. - № 2/5 (68). -С. 25-29.
4. Егоров, В. А. Оптические и щуповые приборы для измерения шероховатости поверхности / В. А. Егоров. - Москва : Машиностроение, 1965. - 224 с.
5. Взаимозаменяемость, стандартизация и технологические измерения / под ред.
A. Д. Никифорова. - Москва : Высш. шк., 2000. - 510 с.
6. Клепиков, В. В. Качество изделий / В. В. Клепиков, В. В. Порошин, В. А. Голов. -Москва : МГИУ, 2005.
7. Дунин-Барковский, И. В. Измерения и анализ шероховатости, волнистости и некруг-лости поверхности / И. В. Дунин-Барковский, А. Н. Карташова. - Москва : Машиностроение, 1978.
8. Чекмарев, А. А. Справочник по машиностроительному черчению / А. А. Чекмарев,
B. К. Осипов. - Москва : Высш. шк., 2005.
9. Основы технологии машиностроения : учебник для вузов / В. М. Кован, В. С. Корсаков, А. Г. Косилова ; под ред. В. С. Корсакова. - Изд. 3-е, доп. и перераб. - Москва : Машиностроение, 1977. - 416 с.
10. Технология машиностроения : в 2 т. Т. 1. Основы технологии машиностроения : учебник для вузов. - 2-е изд., стереотип. / В. М. Бурцев, А. С. Васильев, А. М. Даль-ский [и др.] ; под ред. А. М. Дальского. - Москва : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. - 564 с.
Кострикина Инна Анатольевна Kostrikina Inna Anatol'evna
кандидат технических наук, главный метролог, candidate of technical sciences, chief metrologist,
АО «НИИЭМП» Research Institute of Electron-Mechanical Instruments
(Россия, г. Пенза, ул. Каракозова, 44) (44 Karakozova street, Penza, Russia) E-mail: gmetr@niiemp.ru
Макаркин Леонид Алексеевич Makarkin Leonid Alekseevich
магистрант, master degree student,
Пензенский государственный университет Penza State University
(Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) (40 Krasnaya street, Penza, Russia) E-mail: leonmakarkin@gmail.com
Образец цитирования:
Кострикина, И. А. Методика измерения шероховатости объектов высокого класса чистоты / И. А. Кострикина, Л. А. Макаркин // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2019. -№ 1 (27). - С. 48-54. - БО! 10.21685/2307-5538-2019-1-7.
