CC BY
16
УДК 54.084
DOI 10.21685/2072-3059-2020-1-6
А. Ю. Доросинский
ПРИМЕНЕНИЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИХ МЕТОДОВ ДЛЯ ВЫЯВЛЕНИЯ ПРИЧИН ОТКАЗОВ ПРОВОЛОЧНЫХ РЕЗИСТОРОВ
Аннотация.
Актуальность и цели. Объектом исследования являются отказы проволочных резисторов, вызванные различными видами дефектов деталей, узлов, а также применяемых материалов при производстве резистивных датчиков. Предметом исследования являются методы, используемые при анализе изделий и материалов электронной техники. Цель работы - исследование методов анализа деталей, узлов и материалов резистивных датчиков для выработки рекомендаций по внедрению физико-технических методов в производство.
Материалы и методы. Исследование методов анализа деталей, узлов и материалов для выявления различных дефектов выполнялось на основе сопоставления и анализа данных, полученных в процессе контроля технологических процессов.
Результаты. Выявлены основные виды дефектов, встречающихся при производстве проволочных резисторов. Предложена систематизация методов анализа проволочных резисторов, их составных частей и материалов для идентификации того или иного вида дефекта.
Выводы. Анализ возможностей рассмотренных методов при выявлении преобладающих дефектов позволил сформулировать и представить в табличном виде области применимости рассмотренных физико-технических методов для контроля наиболее часто встречающихся дефектов. С учетом области применимости и эффективности использования методов контроля качества и анализа отказов были даны рекомендации по внедрению их в производство.
Ключевые слова: контроль, проволочный резистор, параметр, материал, метод анализа, микроскоп, отказ.
A. Ju. Dorosinskij
APPLICATION OF PHYSICAL AND TECHNICAL METHODS FOR IDENTIFYING WIRE RESISTORS' FAILURES CAUSES
Abstract.
Background. The object of the study is the failure of wire resistors caused by various types of defects in parts, components, and materials used in the production of resistive sensors. The subject of the study is the methods used in the analysis of products and materials of electronic equipment. The purpose of this work is to study methods for analyzing parts, components, and materials of resistive sensors to develop recommendations for implementing physical and technical methods in production.
© Доросинский А. Ю., 2020. Данная статья доступна по условиям всемирной лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/), которая дает разрешение на неограниченное использование, копирование на любые носители при условии указания авторства, источника и ссылки на лицензию Creative Commons, а также изменений, если таковые имеют место.
Materials and methods. The study of methods for analyzing parts, components and materials to identify various defects was performed on the basis of comparison and analysis of data obtained during the control of technological processes.
Results. The main types of defects encountered in the production of wire resistors are identified. A systematization of methods for analyzing wire resistors, their components and materials for identifying a particular type of defect is proposed.
Conclusions. The analysis of the possibilities of the considered methods in identifying the prevailing defects allowed us to formulate and present in tabular form the areas of applicability of the considered physical and technical methods for the control of the most common defects. Taking into account the scope and effectiveness of the use of quality control and failure analysis methods, recommendations were made for their implementation in production.
Keywords: control, wire resistor, parameter, material, analysis method, microscope, failure.
Введение
Большое разнообразие материалов, используемых в производстве резисторов, определяет необходимость проведения комплексных физико-химических исследований на всех этапах их создания, начиная от выяснения принципиальных возможностей использования новых физических идей и заканчивая непосредственным контролем технологических процессов изготовления резисторов в условиях их массового производства, а также анализа изделий, отказавших в процессе испытаний или эксплуатации.
Необходимость применения физико-технических и физико-химических методов вытекает из определения процесса отказа.
Процессы отказов - необратимые физические и химические реакции в изделиях, которые в совокупности воздействуют на изменение их электрофизических свойств. Реакции, протекающие в резисторах (изделиях), можно разделить на три категории:
- термические реакции физической природы, влияющие на функциональные свойства резистивных элементов, т.е. отказы зависят только от температуры;
- коррозийные реакции, влияющие на электрические характеристики резистивных элементов (воздействие окружающей среды и агрессивных факторов);
- излучающие реакции, которые имеют место при электромагнитной радиации и излучении частиц высокой энергии [1].
Отказы можно разделить с учетом конструкции, причин, их вызвавших.
В источнике [2] вводится следующая градация отказов:
1) механические отказы, вызванные всевозможными поломками изделия или его деталей;
2) электрические отказы, вызванные использованием изделий при перегрузках;
3) физические отказы.
Обобщение результатов анализа дефектных изделий и контроля качества переменных резисторов показало, что основной причиной отказа является нарушение технологического процесса изготовления (рис. 1).
Понимание физики отказов обеспечивается знанием физики материалов, для чего необходимо изучать механизм протекающих в изделиях процессов с учетом физических и механических свойств материалов.
Дефектный ПР°ЧИС
„„.,______________________S%
мэ-------
Эксплуатат онный
15%
й
Технологичс
ский 62%
Рис. 1. Причины отказов в процентном представлении
Сталкиваясь с каждым частным случаем отказа, необходимо выбирать подходящий метод анализа, основанный на дедукции, устанавливать причину этого отказа и рекомендовать определенные мероприятия, направленные на предотвращение будущих отказов того же типа. При невозможности установления отказа имеющимися средствами и методами необходимо создать условия для его воспроизведения.
Отсюда является актуальным применение при анализе отказов методов металлографии, электронографии, рентгенографии, люминесцентного и рент-геноспектрального анализов. Чаще всего эти методы дополняют один другой, уточняя причины отказа.
1. Металлографический анализ сварных узлов и соединений
Практика анализа проволочных резисторов показала, что одной из причин отказа является облом выводов и потеря контактирования в шве сварки. Анализ качества сварных соединений, подбор оптимальных режимов сварки с целью предупреждения отказов проводится металлографическим методом.
Для металлографического исследования микроструктуры металлических сварных соединений готовятся шлифы, которые исследуются с применением металлографических микроскопов и микротвердомера.
Шлифы-образцы изучаемого металла должны иметь специально подготовленную поверхность (плоская, шлифованная и полированная). Размеры шлифов, как правило, определяются конфигурацией образцов. Плоскость шлифа перпендикулярна сварному соединению. Для выявления микроструктуры применяют неглубокое травление, в результате глубина растравленного слоя составляет не более 10 мкм. Следы деформации могут вызвать заметные искажения микрострукты и привести к неправильным результатам исследования. Толщина деформированного слоя уменьшается полировкой механической, химической или электролитической.
В зоне сварки металлы подвергаются термомеханическому воздействию, при котором может существенно изменяться их фазовый состав, структура и степень насыщения дефектами. В этих условиях происходит сложное наложение явлений, важнейшими из которых являются:
- процессы гомогенизации металлов, определяющие их закалку и старение при сварке;
- процессы коагуляции фазовых выделений, определяющие степень разупорядочения сплавов, сваренных в закаленном или состаренном состоянии;
- процессы сегрегации, обусловленные диффузией примесей оплавляемым границам и оказывающие существенное влияние на их прочность;
- процессы роста кристаллов;
- процессы полиморфных превращений, а также связанных с ними превращений твердых растворов;
- процессы старения.
Эти процессы можно наблюдать при анализе шлифов металлографическим и электронномикроскопическим методами. Рассмотрим сварное соединение при анализе отказов или отработке технологии.
На рис. 2 показана качественная сварка вывода постоянных резисторов с колпачком. Монолитное сварное соединение получено без расплавления как одного, так и другого металла. Сварка в данном случае осуществляется за счет рекристаллизации и перекристаллизации нерасплавленных слоев металла. На границе нерасплавленных металлов наблюдаются мелкие кристаллы, направленные перпендикулярно или под острым углом к границе. Металлы в процессе сварки были разогреты до необходимой температуры, что подтверждается наличием участков внедрения одного металла в другой. При сжатии свариваемых металлов разогрев металлов был кратковременным и зерна свариваемых металлов не могли вырасти.
Рис. 2. Сварка вывода с колпачком за счет кристаллизации и перекристаллизации. Увеличение 70 х
При сварке с расплавлением получают монолитное сварное соединение за счет весьма интенсивного процесса перемешивания свариваемых металлов, при котором образуется новый однородный сплав.
По методу анализа сварных соединений разработана методика, позволяющая оценить качество сварных соединений, технологические режимы сварки и провести анализ сварного соединения отказавшего образца.
Кроме анализа сварных соединений, целесообразно выполнять металлографический анализ паяных соединений отказавших резисторов.
На рис. 3 приведена качественная пайка вывода с резистивным элементом: припой смачивает резистивную проволоку, обеспечивая прочный механический и электрический контакты.
Рис. 3. Качественная пайка вывода с резистивным элементом. х22
При некачественной пайке наблюдаются поры, ослабляющие механический и электрический контакт с резистивным элементом. При веских нагрузках пайка отстает и приводит к отказу резистора.
2. Определение микротвердости деталей и толщины гальванических покрытий
Измерение микротвердости является одним из наиболее легко и быстро выполняемых видов механических испытаний. Контроль деталей и материалов фактически ведется без разрушения.
С его помощью легко осуществляется контроль эффективности того или иного метода технологической или термической обработки, а также идентичности качества изготавливаемой продукции. Измерение микротвердости основано на методе вдавливания в тщательно подготовленный шлиф анализируемого материала алмазного наконечника. Для измерения микротвердости используются приборы, отличающиеся высокой чувствительностью и требующие высокой точности приложения нагрузки.
Формула, применяемая для расчета микротвердости, содержит три переменных величины:
- нагрузка;
- размер отпечатка;
- геометрия.
На практике нашел широкое применение микротвердомер ПМТ-3. При испытании на микротвердость алмазный наконечник в форме правильной четырехгранной пирамиды вдавливается в испытуемый участок образца под
давлением от 0,005 до 0,5 кгс, приложенном в течение определенного времени, и после удаления нагрузки измеряются диагонали квадратного отпечатка, оставшегося на поверхности образца. Число твердости Н в кгс/мм2 определяется путем деления нагрузки на условную площадь боковой поверхности полученного отпечатка по следующей формуле
2 P • а
2 P sin— d 2
где P - нагрузка на пирамиду, кгс; а - угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136° ± 20; d - среднее арифметическое длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм.
При подсчете формула принимает упрощенный вид:
P
H = 1,8544—.
d 2
Для определения микротвердости необходимо подготовить шлиф образца, не допуская его нагрева или наклепа поверхности. Исследуемый образец устанавливается на столик прибора так, чтобы в процессе испытания он не смещался и не прогибался.
Кроме замера микротвердости металлов и сплавов, широко применяется анализ микротвердости органических материалов.
Для увеличения процента выхода годных изделий целесообразно организовать контроль всего поступающего материала для контактных пружин. Данный вид контроля позволит исключить установку в изделия пружины с ослабленными механическими свойствами за счет отклонения от конструкторской документации. Эффект достигается за счет правильного выбора направления волокон в контактных пружинах.
Широкое применение металлографический метод находит при отработке технологии гальванических покрытий, а также контроле гальванических покрытий отказавших образцов. Для определения толщины покрытия делается шлиф анализируемого образца таким образом, чтобы интересуемая деталь была строго перпендикулярна его поверхности.
Для того чтобы не допустить закруглений краев образца, шлифовка ведется на алмазной пасте до самых малых ее размеров: 3-5 мкм (полировка не допускается).
Приготовленный таким способом образец протравливается с целью строгого разделения границ материала детали и покрытия, а также снятия заусенцев. Далее ведется замер толщины покрытия по всей поверхности детали. Контроль толщины гальванических покрытий целесообразно выполнять для отработки режимов формирования гальванических покрытий.
3. Количественный металлографический анализ структур материалов
Количество технических сплавов зависит не только от качественных особенностей их микроструктуры, но также от ее количественных характеристик. Металлографические измерения обычно проводятся для получения
данных о микроструктуре, об относительном содержании различных микроструктурных составляющих (т.е. соотношение фаз), определения размера зерен матрицы и т.д. Одна из трудностей количественной металлографии -непрозрачность металла, что приводит к изучению металлов не в трехмерном пространстве, а в двухмерном. Отсюда требуется интерпретация результатов.
Находит применение методика количественного металлографического анализа кристаллических структур, позволяющая определять величину зерен, пор, неметаллических включений, а также фактор формы зерен.
Наибольший интерес при постановке текущих задач представляет определение линейных размеров зерен, пор и включений. Определение размера зерен существенно при отработке режимов термообработки за счет оценки качественных характеристик изделий из одного и того же материала.
4. Электронографический и электронно-микроскопический методы анализа микроструктур
Электронография находит широкое применение при анализе отказавших образцов, при выяснении причин, вызвавших те или иные изменения металлических материалов, применяемых в резисторостроении, при анализе отдельных узлов резисторов. Методами электронографии успешно решаются задачи, связанные с изучением малых количеств вещества [3].
В повседневной практике мы встречаемся с образцами в виде налетов или порошков малого количества. На резистивном элементе в результате технологического процесса образуется налет на токосъемниках и выводах. Существует специально разработанная методика, позволяющая вести анализ всех перечисленных материалов.
Суть данной методики заключается в том, что, определяя радиусы на электронограмме и зная постоянную прибора при каждом определенном напряжении, можно найти по набору межплоскостных расстояний анализируемого материала состав (для большей достоверности анализа необходимо использовать результаты эмиссионной спектроскопии), а затем дать заключение о характере соединения и, соответственно, о природе появившегося вещества. На электронографе, как выше упоминалось, исследования ведутся «на просвет» или «на отражение».
В зависимости от поставленных задач, от вида образца выбирается тот или иной метод. Электронография незаменима при анализе продуктов разрушения резистивных материалов, определении природных частиц в объеме резистора, при изучении механизмов окисления резистивных материалов, совместимости органических материалов с резистивными [3] и т.д.
Также широкое развитие получила электронная микроскопия с помощью которой исследуется морфология микроструктуры, поверхности. Например, дифракционный и микродифракционный анализ отдельных включений позволяют точно идентифицировать детали структуры и по фазовому составу определить их кристаллографическую ориентацию.
Например, электронно-микроскопический метод хорошо зарекомендовал себя при оценке качества гальванических покрытий. Однородная структура с отдельными пузырьками свидетельствует о пористости (рис. 4).
Рис. 4. Микроструктура гальванических покрытий. Разрешение х4500
С помощью электронной микроскопии также исследуется влияние органических материалов на резистивные и контактирующие материалы, которые в результате деструкции выделяют агрессивные составляющие, изменяющие переходное сопротивление переменных резисторов и снижающие их временную стабильность.
В последнее время электронная микроскопия также находит применение при анализе отказов. На рис. 7 приведена микроструктура окисленной поверхности контактирующей площадки.
Рис. 5. Микроструктура поверхности алюминиевого контакта. х7000
Анализируя микроструктуру поверхности, можно с высокой достоверностью судить о качестве того или иного изделия, так как окисление контактирующей площадки впоследствии приводит к отказу.
5. Рентгеноструктурный и рентгеноспектральный анализ материалов
Применение рентгеновских дифракционных методов дает возможность исследовать структуру кристаллов, а также проводить качественный и количественный анализ металлов и сплавов, химических соединений, определять постоянные решеток, размеры частиц, макро- и микронапряжения в объеме.
Рентгенограмма многофазной системы представляет собой результат наложения рентгенограммы отдельных фаз, интенсивности линий которых пропорциональны количеству фазы в анализируемой системе. Каждая фаза представлена набором характерных только для нее межплоскостных расстояний.
Для установления фазового состава необходимо из общего ряда выделить ряды, свойственные каждой из фаз в отдельности, затем сопоставить их с табличными значениями для каждой из фаз. При необходимости, проинди-цировав соответствующие интерференционные максимумы, можно рассчитать значения периодов решеток.
Весьма эффективно на практике дополнительное исследование внутренних напряжений первого рода:
Е dэт — ^обр с =------^
ц d.
эт
где dобр - межплоскостное расстояние исследуемого образца; dэт - межплоскостное расстояние эталона.
Совокупность данных методов позволяет выбрать оптимальную технологию изготовления проволочного резистивного элемента.
Эффективен и рентгенографический метод при анализе резисторов, отказавших при испытаниях из-за потемнения выводов с целью установления продуктов потемнения [3, 5]. При наличии в налете окислов материала вывода изделия забраковывались и испытания повторялись.
Рентгеноспектральный анализ с помощью электронного зонда позволяет определить химический состав в очень малых объемах образца, поперечные размеры которых на исследуемой поверхности имеют порядок микрона. Такой анализ проводят в специальных устройствах, получивших название микроанализаторов.
6. Люминесцентный анализ инородных частиц на контактирующих поверхностях
Для наблюдения люминесценции малого количества вещества используются специальные ультрафиолетовые микроскопы, позволяющие наблюдать не только люминесценцию компонентов образца, но также и локализацию их в нем.
Широкое применение в лабораторной практике находит ультрафиолетовый микроскоп для анализа инородных частиц на резистивном элементе переменных резисторов, появившихся в процессе производства. Чаще всего это эпоксидные клеи, лаки, крепящие витки резистивной проволоки на каркасе, капроновые стружки и другие инородные материалы, занесенные в процессе их производства. При просмотре резистивных элементов в поле зрения
микроскопа наблюдаются чередующиеся темные и голубовато-зеленоватые или голубовато-сероватые полосы. Темные полосы - витки резистивной проволоки (металл не люминесцируют). Светящиеся полосы соответствуют лаку, крепящему витки намотки. Инородные частицы четко выделяются на этом фоне своим свечением. В табл. 1 приведен цвет свечения частиц материала, которые могут встретиться на контактной дорожке резистивного элемента.
Таблица 1
Свечение различных материалов
Вещество Цвет люминесценции
1. Лак К-47 Изумрудный
2. Компаундный клей Голубовато-зеленоватый
3. Канифоль Голубовато-зеленоватый
4. Глицерин Голубовато-синеватый
5. Спирт с канифолью Голубовато-синеватые островки
6. Капроновая стружка Голубовато-синеватый
7. Гидрозин солянокислый Голубой
8. Жировые загрязнения, смазки Голубой
Как видно из табл. 1, большинство применяемых органических материалов люминесцируют в одной и той же области спектра, что в некоторой степени затрудняет идентификацию свечения инородного вещества, нарушающего контактирование резистивного элемента с контактной пружиной.
Для увеличения яркости свечения люминесцирующего вещества используются светофильтры с малой полосой пропускания, что может привести к оптимальному выбору спектра возбуждения. Нарушение контактирования наблюдается как за счет наличия инородных частиц на резистивном элементе, так и на контактной пружине. Идентификация их ведется подобным образом.
Широкое применение люминесцентный анализ находит при отработке технологии крепления витков проволоки резистивного элемента к каркасу резистивного элемента. Проволока должна быть прикреплена лаком к каркасу так, чтобы погружение было не более 2/3 ее диаметра.
Из-за прозрачности наблюдать лак в оптическом световом микроскопе трудно, поэтому, исходя из свойств металлов не люминесцировать, а органических материалов - люминесцировать, используем ультрафиолетовый микроскоп для наблюдения погружения витков намотки резистивного элемента в лак на контактной дорожке.
Определение погружения ведется по шкале, вмонтированной в окуляр. Точность метода ограничена возможностями человеческого глаза.
Заключение
В рамках данной работы была проведена систематизация методов при выявлении преобладающих дефектов.
В табл. 2 приведены возможности рассмотренных физико-технических методов для контроля различных дефектов.
Данные методы при наличии соответствующего оборудования могут быть использованы на производстве при анализе отказов проволочных резисторов и применяемых в них материалов.
Таблица 2
Методы анализа и виды дефектов отказов проволочных резисторов
Дифракционный й Неразру-шающий Микроскопический Определение хим. состава
Преобладающие виды дефектов Рентгенографический Электронографический ы н ь л а & е п с о и е г т н е Р Рентгено-телевизионный Визуальный Интерферометрический Полярометрический Металлографический Электронно-микроскопический Люминесцентный Эмиссионный, спектральный Химический
Дефекты монтажа
Дефекты паяных
и сварных соединении
Дефекты механических
контактных соединении
Потеря проводимости
Дефекты защитных
покрытии (поры,
отслоения, трещины,
царапины)
Механические дефекты
резистивных элементов,
контактных пружин
Локализованные
инородные включения
Механические
напряжения
Нарушение
химсостава, налеты
Крепление витков
Негерметичность
На основании эффективности применения методов контроля качества и анализа отказов даны рекомендации по внедрению.
Библиографический список
1. Dodge, Н. Stuart «Physics of failure in spacecraft aplication 169. Ann. Assuarance Sci / Н. Dodge. - New York ; London ; Paris, 1969. Р. 100-104.
2. Курносов, А. И. Исследование причин отказов плоскостных диодов / А. И. Курносов // Вопросы радиоэлектроники. Сер. ЭВТ. - 1965. - № 3.
3. Дей, И. М. Исследование влияния органических материалов на окисление контактных сплавов / И. М. Дей // Электронная техника. Сер. «Материалы» в. 1. 1975.
4. Глезер, А. М. Сканирующая электронная микроскопия и рентгеноспектральный микроанализ / А. М. Глезер. - Москва : Техносфера, 2009. - 208 c.
5. Головин, И. С. Внутреннее трение и механическая спектроскопия металлических материалов : учебник / И. С. Головин. - Москва : Изд. Дом МИСиС, 2012 - 247 с.
References
1. Dodge N. Stuart «Physics of failure in spacecraft aplication 169. Ann. Assuarance Sci. New York; London; Paris, 1969, pp. 100-104.
2. Kurnosov A. I. Voprosy radioelektroniki. Ser. EVT [Electronics issues. Series ]. 1965, no. 3. [In Russian]
3. Dey I. M. Elektronnaya tekhnika. Ser. «Materialy» v. 1. [Electronic equipment. Series "Materials" issue 1]. 1975. [In Russian]
4. Glezer A. M. Skaniruyushchaya elektronnaya mikroskopiya i rentgenospektral'nyy mikroanaliz [Scanning electron microscopy and X-ray microanalysis]. Moscow: Tekhnosfera, 2009, 208 p. [In Russian]
5. Golovin I. S. Vnutrenneye treniye i mekhanicheskaya spektroskopiya metallicheskikh materialov: uchebnik [Internal friction and mechanical spectroscopy of metallic materials: textbook]. Moscow: Izd. Dom MISiS, 2012, 247 p. [In Russian]
Доросинский Антон Юрьевич
генеральный директор, ООО «Научно-производственное предприятие «Сонар» (Россия, г. Пенза, ул. Центральная, 1В)
E-mail: antik_r13@mail.ru
Dorosinskiy Anton Yur'evich General manager, LLC "Research and production enterprise "Sonar" (1B, Centralnaja street, Penza, Russia)
Образец цитирования:
Доросинский, А. Ю. Применение физико-технических методов для выявления причин отказов проволочных резисторов / А. Ю. Доросинский // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2020. - № 1 (53). - С. 58-69. - DOI 10.21685/2072-3059-2020-1-6.
