CC BY
103
УДК 542.6.063, 621.3, 681.7
Рындин Д.А., Лысенко А.В., Сидорова Е.А.
ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет»
ПРИМЕНЕНИЕ ИНДИКАТОРНЫХ ПРОНИКАЮЩИХ ВЕЩЕСТВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АВТОМАТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ОПТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПЕЧАТНЫХ ПЛАТ
Аннотация. В статье показана актуальность выявления латентных поверхностных дефектов проводников печатных плат. Рассмотрены особенности их выявления с помощью совместного использования средств оптического и капиллярного контроля, что позволяет повысить эффективность выявления поверхностных дефектов печатных плат.
Ключевые слова: автоматическая оптическая инспекция, неразрушающий контроль, латентные де-
фекты, капиллярный метод, плата печатная.
Статья подготовлена в рамках реализации НИР «Создание методологических основ обнаружения и локализации латентных технологических дефектов бортовой радиоэлектронной аппаратуры космических аппаратов методами неразрушающего контроля и диагностики на этапах производства» (ГК № 14.514.11.4078) в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы»
На сегодняшний день известно большое количество методов неразрушающего контроля, позволяющих с высокой точностью и достоверностью оценить показатели надёжности и качества какого-либо изделия без его разрушения или лишения работоспособности. Большинство из этих методов требуют достаточно больших затрат на приобретение специального оборудования, а также затрат на сам процесс проведения контроля и диагностики. Кроме этого, может потребоваться соблюдение дополнительных условий по охране труда персонала, осуществляющего контроль. На фоне этих проблем широкую известность приобрели оптические методы неразрушающего контроля. Данные методы нашли применение при производстве радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) и позволяют выявлять достаточно большое количество дефектов на ранних этапах производства.
При изготовлении РЭА неизбежно появление технологических дефектов, которые подразделяются на явные и скрытые (латентные). Явные дефекты приводят к немедленному отказу оборудования. Скрытые латентные дефекты к немедленному отказу не приводят, но снижают надежность и качество оборудования. Они могут привести к отказу оборудования на этапах ввода в эксплуатацию, и что еще хуже, в ходе эксплуатации оборудования. Именно поэтому на этапах производства является актуальным применение оригинальных методов обнаружения и локализации латентных технологических дефектов методами неразрушающего оптического (визуального) контроля и диагностики [5-7].
Оптические методы контроля основаны на таких явлениях, как отражение, поглощение, интерференция и дифракция света. При изготовлении печатных плат (ПП) и фотошаблонов (ФШ) применяются различные материалы (металлы, полупроводники, диэлектрики), которые по-разному взаимодействуют с оптическим излучением. Это взаимодействие определяется свойствами материалов, их геометрией, внешними условиями, а также спектральным составом, поляризацией и фазой применяемого излучения. [1].
Оптические методы принципиально позволяют обнаруживать дефекты любого типа, обеспечивают более высокую скорость получения и переработки информации, весьма универсальны.
Однако общая тенденция миниатюризации электронных компонентов приводит к уменьшению толщины и ширины полосковых проводников, расстояния между ними, толщины диэлектрических подложек ПП. В настоящее время типовые размеры составляют единицы-десятки микрон, намечается переход в субмикронную область. Поэтому целесообразно оценить возможности оптических методов и границ их применения в части контроля ПП.
Измерение ширины проводников, расстояния между ними, ширины разрыва или перемычки сводится к оценке взаимного положения двух границ в оптическом изображении проводников в контрольном устройстве. Для фотошаблона это границы раздела между прозрачными и непрозрачными участками, т.е. областями с существенно различной оптической плотностью, для ПП между участками с различными значениями коэффициентов оптического поглощения и отражения или в изображении между областями с различной освещенностью. Степень различия оптических характеристик можно описать коэффициентом контрастности. Разумеется, значение этого коэффициента весьма велико для фотошаблонов - там условия близки к идеальным. Для ПП контрастность во много раз ниже, что резко ухудшает надёжность контроля изображения. Для повышения контрастности изображений ПП предлагается использовать методы капиллярной дефектоскопии, основанные на применении индикаторных проникающих веществ.
Как известно, методы капиллярной дефектоскопии основаны на проникновении определенных жидких веществ в поверхностные дефекты изделия под действием капиллярного давления, в результате чего повышается свето- и цветоконтрастность дефектного участка относительно неповрежденного. Проведение данный метод контроля осуществляется в соответствии с ГОСТ 18442-80 "Контроль неразрушающий. Капиллярные методы. Общие требования."[3,4].
Капиллярный метод применяется при контроле объектов любых размеров и форм, изготовленных из черных и цветных металлов, легированных сталей, чугуна, металлических покрытий, пластмасс, стекла и керамики в энергетике, авиации, ракетной технике, судостроении, химической промышленности, металлургии, при строительстве ядерных реакторов, в автомобилестроении, электротехники, машиностроении, литейном производстве, штамповке, приборостроении, медицине и других отраслях. Для некоторых материалов и изделий этот метод является единственным для определения пригодности деталей или установок к работе.
Одной из важнейших характеристик капиллярного контроля является чувствительность - способность выявления несплошностей данного размера с заданной вероятностью при использовании конкретного способа, технологии контроля и пенетрантной системы. Согласно ГОСТ 18442-80, класс чувствительности контроля определяют в зависимости от минимального размера выявленных дефектов с поперечными размером 0,1 - 500 мкм. Установлено 5 классов чувствительности (по нижнему порогу) в зависимости от размеров дефектов (табл.).
Таблица - Классы чувствительности капиллярного контроля
Класс чувствительности Ширина раскрытия дефек-
та, мкм
I Менее 1
II От 1 до 10
III От 10 до 100
IV От 100 до 500
технологический Не нормируется
В качестве параметра размера дефекта принимается поперечный размер дефекта на поверхности объекта контроля - так называемая ширина раскрытия дефекта. Поскольку глубина и длина дефекта также оказывают существенное влияние на возможность его обнаружения (в частности, глубина должна существенно больше раскрытия), эти параметры считаются стабильными. Нижний порог чувствительности, т.е. минимальная величина раскрытия выявленных дефектов ограничивается тем, что весьма малое количество пенетранта; задержавшееся в полости небольшого дефекта, оказывается недостаточным, чтобы получить контрастную индикацию при данной толщине слоя проявляющего вещества. Существует также верхний порог чувствительности, который определяется тем, что из широких, но неглубоких дефектов пенетрант вымывается при устранении излишков пенетранта на поверхности.
Процесс капиллярного контроля состоит из следующих основных операций (рис. 1):
1) очистка поверхности объекта контроля (ОК) и полости дефекта от загрязнений, жира и т. д. путем их механического удаления и растворения. Этим обеспечивается хорошая смачиваемость всей поверхности ОК индикаторной жидкостью и возможность проникновения ее в полость дефекта;
2) пропитка дефектов индикаторной жидкостью. Для этого она должна хорошо смачивать материал изделия и проникать в дефекты в результате действия капиллярных сил.
3) удаление с поверхности изделия излишков пенетранта, при этом пенетрант в полости дефектов сохраняется. Для удаления используют эффекты диспергирования и эмульгирования, применяют специальные жидкости - очистители;
4) обнаружение пенетранта в полости дефектов. Обнаружение дефектов производится чаще визуально, реже - с помощью специальных устройств - преобразователей. В первом случае на поверхности наносят специальные вещества - проявители, извлекающие пенетрант из полости дефектов за счет явлений сорбции или диффузии. Сорбционный проявитель имеет вид порошка или суспензии[4].
\AVV VVVV
12 3 4
Рисунок 1 - Основные операции при капиллярной дефектоскопии
Необходимым условием надёжного выявления капиллярным методом дефектов, имеющих выход на поверхность объекта, является относительная их незагрязнённость посторонними веществами, а также глубина распространения, значительно превышающая ширину их раскрытия (минимум 10/1). Поэтому для очистки поверхности перед нанесением пенетранта используют очиститель.
Наиболее важной характеристикой индикаторных жидкостей является их способность к смачиванию материала изделия. Для этого пенетрант должен иметь достаточно высокое поверхностное натяжение и краевой угол, близкий к нулю при растекании по поверхности ОК. Смачивание вызывается взаимным притяжением атомов и молекул жидкости и твердого тела. На рисунке 2 схематично показаны смачивание и несмачивание поверхности жидкостью. Физические явления, положенные в основу смачивания, рассмотрены в [1].
Рисунок 2 - Смачивание (а) и несмачивание (б) поверхности жидкостью
Чаще всего в качестве основы пенетрантов используют такие вещества, как керосин, жидкие масла, спирты, бензол, скипидар, у которых поверхностное натяжение (2,5...3,5)10-2 Н/м. Реже используют пенетранты на водяной основе с добавками ПАВ. Для всех этих веществ краевой угол должен быть близок к нулю (cos 0 не менее 0,9) [2].
На момент написания статьи на рынке средств капиллярного метода контроля (пенетранты, проявители, очистители и т.д.) были представлены такие фирмы, как Sherwin(США), Helling (Германия), Nabakem (Корея) и многие другие.
В нашей стране данные средства возможно приобретать по сравнительно низким ценам, что делает капиллярную дефектоскопию более доступной.
Кроме того, достоинствами капиллярных методов дефектоскопии являются: простота операций контроля, несложность оборудования, применимость к широкому спектру материалов, в том числе к немагнитным металлам.
Преимуществом капиллярной дефектоскопии является то, что с его помощью можно не только обнаружить поверхностные и сквозные дефекты, но и получить по их расположению, протяженности, форме и ориентации по поверхности ценную информацию о характере дефекта и даже некоторых причинах его возникновения (концентрация напряжений, несоблюдение технологии и пр.).
Тем не менее, данный метод не позволяет выявлять скрытые внутренние технологические дефекты, что требует применения дополнительных методов и средств для комплексного анализа качества изделия[5].
Таким образом, метод капиллярной дефектоскопии полезен при комбинированном применении совместно с широко распространёнными установками для автоматической оптической инспекции (АОИ), поскольку проникающий в микротрещины пенетрант увеличивает угол зрения на дефект примерно в 10...20 раз (за счет того, что ширина индикаций больше, чем дефектов), а яркостный контраст -на 30...50% [1]. Благодаря этому, процент выявленных латентных поверхностных дефектов в ходе
АОИ многократно увеличивается, а необходимость в тщательном осмотре поверхности и время контроля - уменьшаются.
ЛИТЕРАТУРА
1. Неразрушающий контроль / А.К. Гурвич, И.Н. Ермолов, С.Г. Сажин; Под ред. В.В. Сухорукова. М.: Высш. шк., 1991. Кн. 1. Общие вопросы. Контроль проникающими веществами. - 242 с.
2. Юрков Н.К. Технология радиоэлектронных средств. Учебник. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. унта, 2010. - 717 с.
3. ГОСТ 18353-79. Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов. - М.: 1979.
4. ГОСТ 18442-80. Контроль неразрушающий. Капиллярные методы. Общие требования. - М.: 1980.
5. Држевецкий А.Л., Григорьев А.В. Автоматизированная система оптического допускового контроля печатных плат и фотошаблонов. - «Метрология» (прил. к ж. «Измерительная техника»), 1995,
вып. 4, C. 11-18.
6. Григорьев А.В., Држевецкий А.Л., Граб И.Д. Уровни предпочтений в системе распознавания электронно-дифракционных картин. - Надежность и качество: Труды международного симпозиума. Том 1 / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2010, С. 396-399.
7. Затылкин, А.В. Управление исследованиями моделей радиотехнических устройств на этапе проектирования / А.В. Затылкин, А.Г. Леонов, Н.К. Юрков // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии: научно-технический журнал - Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2012. - № 1(17). - С. 138-142.
8. Затылкин, А.В. Внешние механические воздействия как источник возникновения дефектов /
А.В. Затылкин, Д.А. Голушко, В.С. Юдин // Испытания-2011 : сб. материалов науч.-техн. конф. в
рамках Всерос. науч. школы «Методики, техника и аппаратура внешних испытаний» / под ред. проф. Т.И. Мурашкиной. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2011. - С. 30-31.
9. Лысенко, А.В. Автоматизированная многоканальная виброиспытательная установка / А.В. За-тылкин, А.В. Лысенко, Д.А. Голушко, Д.А. Рындин, Н.К. Юрков // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс (Спецвыуск): Периодическое научное издание - Пенза: Изд-во Пенз. гос. технол. акад., 2012. - С. 63-66
10. Юрков, Н.К. Основы теории надежности электронных средств : учеб. пособие / Н.К. Юрков, А.В. Затылкин, С.Н. Полесский, И.А. Иванов, А.В. Лысенко. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2013. - 100 с.
11. Алгоритм прямого перебора с применением теории графов для прогнозирования отказов сложных РЭС / Кочегаров И.И., Стюхин В.В. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2012. Т. 2. С. 130-131.
12. Информационные технологии проектирования РЭС. Единое информационное пространство предприятия : учеб. пособие / В. Б. Алмаметов, В. Я. Баннов, И. И. Кочегаров. - Пенза : Изд-во
ПГУ, 2013. - 108 с.
13. Микроконтроллеры AVR. Лабораторный практикум : учеб.пособие / И. И. Кочегаров, В. А.
Трусов. - Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. - 122 сЗатылкин, А.В. Метод связанных систем в моделировании процесса обучения / А. В. Затылкин, В. Б. Алмаметов, И. И. Кочегаров // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2011. № 4 (9). - С. 56-61.
14. Затылкин, А.В. Моделирование изгибных колебаний в стержневых конструкциях РЭС / А.В. Затылкин, Г.В. Таньков, // Надежность и качество: Труды международного симпозиума / Под ред. Н.К. Юркова - Пенза: ИИЦ ПГУ, 2006, с. 320-323.
