CC BY
27%
SISi®'
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 620.165.29
ПРИМЕНЕНИЕ КАПИЛЛЯРНОЙ ЛЮМИНЕСЦЕНТНОЙ ДЕФЕКТОСКОПИИ ПРИ КОНТРОЛЕ МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННОГО СПАЯ
APPLICATION OF CAPILLARY FLUORESCENT FLAW DETECTION IN THE CONTROL OF METAL-GLASS JUNCTION
© Васильева Любовь Александровна
Lyubov А. Vasilyeva ведущий инженер по качеству, АО «ЛИТ-ФОНОН» (г. Москва). leading quality engineer, LIT-PHONON JSC (Moscow). И vasilewafonon@gmail.com
© Бойчук Максим Иванович
Maxim I. Boychuk
начальник службы контроля качества-главный контролёр, АО «ЛИТ-ФОНОН» (г. Москва).
head of the quality control service-chief controller, LIT-PHONON JSC (Moscow).
И boychukmi@gmail.com
© Микаева Светлана Анатольевна
Svetlana A. Mikaeva
доктор технических наук, заведующий кафедрой электроники, МИРЭА-Российский технологический университет (г. Москва).
DSc(Technical), head of the Department of electronics, Russian technological University (Moscow).
И mikaeva@npo.lit.ru
Аннотация. Исследование применения капиллярной люминесцентной дефектоскопии для контроля герметичности пьезоэлектрических изделий в области металлостеклянного спая актуально. Это связано с тем, что при использовании стандартных методов проверки герметичности пьезоэлектрических изделий невозможно установить точное место течи. Цель исследования - рассмотрение для применения в производстве капиллярных методов контроля. В рамках исследования проанализированы стандартные методы испытаний пьезоэлектрических изделий на герметичность, проведён их анализ, установлены рамки применяемости каждого из них на этапах жизненного цикла пьезоэлектрических изделий. В результате проведённых работ, для проверки герметичности
Abstract. The study of the use of capillary fluorescent flaw detection to control the tightness of piezoelectric products in the field of metal-glassjunction is relevant. This is due to the fact that using standard methods for checking the tightness of piezoelectric products, it is impossible to determine the exact location of the leak. The purpose of the study is to consider capillary control methods for use in production and highlight their advantages. The study analyzed standard methods of tests of piezoelectric products leak, their analysis, set the scope of applicability of each of them on the stages of the life cycle of piezoelectric products. As a result of the work carried out, a capillary luminescent control method was chosen to test the tightness of piezoelectric products in the field of metal-glassjunction, and the stages of its implementation are reflected.
■^mi
SISK^'
пьезоэлектрических изделий в области металлостеклянного спая был выбран для применения капиллярный люминесцентный метод контроля, отражены этапы его проведения. На основании проведённых исследований была разработана методика контроля герметичности пьезоэлектрических изделий, включающая применение капиллярного люминесцентного метода.
Ключевые слова: пьезоэлектрические изделия, металлостеклянный спай, герметичность, контроль герметичности, испытания пьезоэлектрических изделий, капиллярный люминесцентный метод контроля, контроль качества.
On the basis of the conducted research, a method of leakproofness control was developed.
Key words: piezoelectric products, metal-glass junction, tightness, tightness control, testing of piezoelectric products, capillary luminescent control method, quality control.
Гер
че
эрметичность пьезоэлектрических изделий - один из основных параметров, гарантирующих их стабильную работу в пределах срока службы. В среднем срок службы пьезоэлектрических изделий составляет от 15 до 25 лет. Для обеспечения стабильной работы пьезоэлектрические изделий, применяемых в атомной энергетике, авиации и космонавтике, были рассмотрены для применения капиллярные люминесцентные методы контроля герметичности. Актуальность применения данных методов связана с невозможностью определения точного позиционирования течей при применении стандартных методов проверки герметичности.
В рамках работы проведён анализ стандартных методов проверки герметичности и определены границы их применяемости.
Одним из наиболее распространённых методов проверки герметичности пьезоэлектрических изделий является метод обнаружения утечки газа из внутренних полостей изделия при погружении их в жидкость с повышенной температурой. Данный метод описан государственными стандартами и уточнён отраслевыми для пьезоэлектрических изделий. Этот метод подходит для проверки герметизированных пьезоэлектрических изделий и не применяется для вакуумных изделий. В качестве жидкости используют деионизованную воду, нагретую до максимального значения повышенной рабочей температуры, указанной в технических условиях на изделия. Величина кинематической вязкости жидкости, характеризующая проникновение воду в корпус при наличии сквозных дефектов, должна быть не более 3x10 -6 м2 хс-1 при температуре испытания (ГОСТ РВ 20.57.416-98. Комплексная система контроля качества. Изделия электрон-
ной техники, квантовой электроники и электротехнические военного назначения. Методы испытаний).
Зачастую представленным методом, заключающимся в обнаружение утечки газа (воздуха, азота и т. д.) из внутренних полостей изделий, при погружении их в жидкость с повышенной температурой, возможно обнаружение течей величиной не менее 1 мм. Более мелкие дефекты данным способом обнаружить невозможно. Такая проверка герметичности эффективна для изделий с большим внутренним объёмом, которые ежегодно теряют свою актуальность в связи со стремлением производителей электротехники к уменьшению массогабаритных размеров.
Среди производителей пьезоэлектрических изделий распространён ещё один метод проверки герметичности, используемый для вакуумных изделий в металлостеклянных корпусах. Данный метод заключается в обнаружении утечки газа масс-спектрометром, применяется для пьезоэлектрических изделий, имеющих различные габаритные размеры и внутренние объёмы, обладает высокой надёжностью и позволяет обнаружить течи в независимости от физических и химических свойств материала проверяемого изделия (ГОСТ 20.57.40681. Комплексная система контроля качества. Изделия электронной техники, квантовой электроники и электротехнические. Методы испытаний). Проверка герметичности данным методом проводится в несколько этапов. Первый этап заключается в установке изделий в камеру для опрессовки с введением в неё технического гелия. Следующий этап - выдержка изделий в камере с повышенным давлением, величина которого регламентируется техническими условиями на изделие. Третий этап - удаление остатков гелия с наружных поверхностей изделий с помощью обдува изделия азотом. Заключительная стадия - установка каждого изделия в камеру, соединённую с масс-спектрометром и измерение массы гелия в объёме камеры. Поскольку относительная атомная масса гелия равна 4 а.е.м., то при наличии натекания
I
/ \
/ Л
/ \
/ \
Относительная ггтктгА др.ч Рис. 1. Регистрация гелия масс-спектрометром
в изделие гелия, масс-спектрометр зарегистрирует гелий в камере, как показано на рис. 1.
Существенными преимуществами данного метода контроля герметичности являются: высокая чувствительность, недоступная другим методам контроля и отсутствие загрязнения изделий в процессе его проведения. Единственным недостатком данного метода является отсутствие возможности определения конкретного места течи.
Установление точного места течи при серийном выпуске изделий позволит определить операцию технологического процесса, вследствие которой возникла течь и принять меры при необходимости по устранению неполадок в технологическом процессе или введению дополнительных операций контроля.
Если течь в изделии обнаружить не удалось, то с течением времени проникающий в под-корпусное пространство воздух с различными примесями негативно повлияет на параметры изделия и они выдут за нормы, установленные в технических условиях. Попадание негерметичных пьезоэлектрических изделий в аппаратуру потребителя недопустимо и приводит к серьёзным последствиям: замене ячеек и блоков или браковке аппаратуры.
Одной из самых распространённых причин потери герметичности пьезоэлектрических изделий являются дефекты металлостеклянного спая, которые с наружной стороны корпуса при большом увеличении можно наблюдать в микроскоп. В связи с этим возник актуальный вопрос выбора метода проверки герметичности после операции герметизации корпусов в области металлостеклянного спая, позволяющего определять связь дефектов спая с наружной стороны корпуса и герметичности изделия. Внешний вид металлостеклянного спая без дефектов показан на рис. 2.
Для определения связи внешних дефектов металлостеклянного спая с наружной стороны корпуса и герметичности изделия, наряду с ранее представленными методами проверки герметичности, были рассмотрены капиллярные методы. В отличие от стандартных методов проверки герметичности пьезоэлектрических изделий, капиллярная дефектоскопия позволяет определить местоположение невидимых или слабовидимых дефектов на поверхности изделия, вызывающих течи. Пенетранты, ис-
Рис. 2. Внешний вид металлостеклянного спая
пользуемые в капиллярной дефектоскопии, обладают достаточной проникающей способностью, позволяющей проникновение пенетранта через металлостеклянный спай в подкорпусное пространство. Проникающая способность пе-нетрантов обусловлена рядом характеристик: плотностью пенетранта, оптической плотностью раствора, отношением величины оптической плотности на длине волны 375 нм к соответствующей величине оптической плотности на длине волны 455 нм. Описанная особенность капиллярной дефектоскопии позволит определить связь дефектов спая с наружной стороны корпуса и влияния этих дефектов на герметичность пьезоэлектрических изделий.
Наиболее распространённые дефекты металлостеклянного спая - трещины, сколы, нарушения структуры стекла. Дефекты, выходящие на поверхность металлостеклянного спая с одной стороны, называются поверхностной несплошностью, а соединяющие противоположные стенки металлостеклянного спая - сквозными. Внешний вид трещин, сколов и нарушений структуры металлостеклянного спая показан на рис. 3.
Нарушения структуры стекла по внешнему диаметру стеклотаблетки зафиксированы при поступлении корпусов на входной контроль. Данный факт подтверждает возникновение нарушений структуры стеклотаблетки в процессе изготовления корпусов. Видимые под микроскопом трещины и сколы стеклотаблетки при проведении входного контроля встречаются редко.
Возникновение трещин и сколов метал-лостеклянного спая, в процессе производства, обусловлено нарушением технологического процесса или развитием внутренних дефектов стеклотаблетки под воздействием внешних факторов.
Дефекты металлостеклянного спая могут проявиться
- на операции сборки пьезоэлектрических изделий «Пайка держателей пьезоэлемента»;
- при механической правке выводов изделий для замера параметров в нормальных климатических условиях и в интервале температур;
А л Л<
а)
б)
в)
Рис. 3. Внешний вид металлостеклянного спая с дефектами:
а) трещинами;
б) сколами по внутреннему диаметру стеклотаблетки;
в) нарушением структуры стекла по внешнему диаметру стеклотаблетки
- при механических испытаниях, таких как теплостойкость при пайке, испытаниях внешних выводов на прочность и др.
Данные дефекты приводят к нарушениям герметичности выпускаемых пьезоэлектрических изделий. Следует отметить, что поверхностные несплошности в процессе эксплуатации могут развиваться в сквозные. Это может произойти при проведении механических испытаний в составе плат, блоков или готовых приборов и аппаратуры. Для предотвращения отказов пьезоэлектрических изделий у конечного потребителя в течение всего срока эксплуатации, необходимо обеспечить тщательный контроль герметичности в области металлостеклянного спая, обеспечивающийся отбраковкой оснований корпусов при проведении входного контроля и проверкой герметичности после операции герметизации.
В ходе работы был проведён анализ дефектоскопических материалов фирмы ООО «СПЕЦАВИА» (РФ, г. Долгопрудный). Выбранный люминесцентный пенетрант ЛЖ-18НВ для капиллярной дефектоскопии, обладает особо высокой чувствительностью и обеспечивает выявление на изделиях трещин глубиной от 0,01 до 0,03 мм и более, раскрытием от 0,0005 мм и более. Данный пенетрант входит в набор совместимых дефектоскопических материалов ЛЮМ-330В, состоящий из пенетранта ЛЖ-18НВ и очищающей жидкости ОЖ-7А (ТУ 2662-010-73057924-2004 Люминесцентный пенетрант ЛЖ-18НВ для капиллярной дефектоскопии).
Пенетрант ЛЖ-18НВ относятся к 1 классу чувствительности. Чувствительность капиллярной люминесцентной дефектоскопии обусловлена выбором люминофора - вещества,
способного к эффективному преобразованию поглощаемой им энергией в световое излучение. Основные требования к люминофорам - яркое свечение в подходящем для человеческого глаза спектральном диапазоне и высокий выход люминесценции. Пенетранты, в составе которых один люминофор, не достигают максимально возможной чувствительности, поэтому для повышения чувствительности пенетрантов, в них используют два и более люминофора. В состав пенетранта ЛЖ-18НВ входят два люминофора, взаимодействующие по принципу «каскадной люминесценции». Данный принцип состоит в межмолекулярном переносе энергии электронного возбуждения.
Капиллярный люминесцентный контроль металлостеклянного спая проводится в несколько этапов.
Первый этап заключается в подготовке оснований корпусов пьезоэлектрических изделий к контролю. Подготовка включает очистку поверхности оснований корпусов химическим способом от различных загрязнений и последующую сушку. Очистка проводится обработкой водным раствором ацетона контролируемых оснований корпусов, а сушка проводится в потоке воздуха при повышенной температуре (90°С в течении 20 мин.).
Второй этап заключается в обработке металлостеклянного спая проверяемых изделий пенетрантом. Согласно эксплуатационной документации, пенетрант ЛЖ-18НВ может наноситься несколькими способами: капиллярным, вакуумным, компрессионным, ультразвуковым, деформационным. В процессе работы были выбраны 2 способа нанесения пенетранта. Первый способ - капиллярный, заключающийся в погружении контролируемых корпусов в пенетрант. Установлено, что среднее время нахождения корпусов в пенетранте, обеспечивающее заполнение им дефектной области равно нескольким суткам. Недостатком данного способа нанесения пенетранта является длительное время, затрачиваемое на проникновение пенетранта в капилляры. Второй способ нанесения - ультразвуковой, заключающийся в погру-
а)
б)
Рис. 4. Индикаторные рисунки дефектов металлостеклянного спая:
а) сквозные трещины стеклотаблетки;
б) сколы по внешнему и внутреннему диаметру стеклотаблетки
жении контролируемых корпусов в пенетрант в ультразвуковой ванне. При использовании данного способа, время, за которое пенетрант проникает в дефекты металлостеклянного спая, значительно сократилось. В процессе работы установлено увеличение ширины и глубины трещин стеклотаблетки при воздействии ультразвука. Если же металлостеклянный спай без дефектов, то ультразвук не провоцирует их возникновение.
После заполнения полостей металлосте-клянного спая пенетрантом необходимо удалить его избыток. В этом заключается третий этап проведения контроля. Выбранный пене-трант - водосмываемый и удаляется промывкой под струёй воды, диапазон температур которой от 18 до 38°С. Контролируемые изделия после промывки подвергаются протирке бязью и сушке в потоке воздуха.
Следующий этап - проведение очистки контролируемых изделий от остатков пенетранта жидкостью ОЖ-7А.
На заключительном этапе контроля проводится замер параметров изделий. Проникновение пенетранта внутрь корпуса изделия и попадание его на кристаллический элемент, существенно влияет на параметры изделия, которые выходят за установленные в технических условиях значения. Наглядно посмотреть на сквозные дефекты в металлостеклянном спае можно после вскрытия изделий. Контроль проводится под цифровым микроскопом Shuttlepix P-400R в ультрафиолетовом свете.
Примеры индикаторных рисунков, полученных при контроле металлостеклянного спая, приведены на рис. 4.
Следует отметить, что важными достоинствами капиллярного люминесцентного метода контроля, являются: обнаружение сквозных и поверхностных дефектов, определение их месторасположения и протяжённости, возможность контроля изделий различных форм и размеров, изготовленных из различных
материалов (металлы, сплавы, стекло и т. д.), высокая чувствительность, малая стоимость закупаемых реагентов. Данный метод применим для контроля герметичности в области дефектов металлостеклянного спая и сварного шва корпусов пьезоэлектрических изделий.
В данной работе были рассмотрены наиболее распространённые методы проверки герметичности пьезоэлектрических изделий в металлостеклянных корпусах. Были выделены достоинства и недостатки рассмотренных методов и границы их применяемости в зависимости от габаритных размеров и конструктивного исполнения. В результате проведённых исследований подтверждена необходимость применения капиллярной люминесцентной дефектоскопии при контроле герметичности пьезоэлектрических изделий [1-5].
Применение капиллярного люминесцентного метода контроля для проверки герметичности металлостеклянных корпусов впервые реализовано организацией АО «ЛИТ-ФОНОН» (РФ, г. Москва) и рекомендуется для проверки пьезоэлектрических изделий после операции герметизации. Также в рамках работы была разработана методика контроля герметичности пьезоэлектрических изделий, включающая применение капиллярного люминесцентного метода.
Благодарности
Авторы выражают благодарность Генеральному директору АО «ЛИТ-ФОНОН» С. А. Гузу за предоставление образцов для исследований и измерительной базы организации; ведущему специалисту специального конструктор-ско-технологического бюро АО «ЛИТ-ФОНОН» Г. А. Черпухиной и начальнику отдела-главному метрологу АО «ЛИТ-ФОНОН» О. В. Аникину за консультации по теме исследований.
Материалы поступили в редакцию 12.02.2020 г.
Библиографический список (References)
1. Микаева, С. А. Экспериментальные исследования характеристик перспективных источников света, приборов и систем / С. А. Микаева, А. С. Микаева.
- М. : Русайнс, 2017. - 136 с. - ISBN 9785-4365-1785-8.
2. Микаева, С. А. Производство приборов и систем с новейшими источниками света / С. А. Микаева. - М. : Русайнс, 2020. - 135 с. - ISBN 978-5-4365-2479-5.
3. Микаева, С. А. Электротехника / С. А. Микаева, А. Н. Брысин. - Казань: Бук, 2018. - 228 с. - ISBN 978-5-00118150-7.
4. Микаева, С. А. Современные электронные системы и устройства / С. А. Микаева, А. С. Микаева. - М. : Русайнс, 2019. - 185 с. - ISBN 978-54365-3734-4.
5. Микаева, С. А. Промышленная электроника. Импульсные устройства и основы микропроцессорной техники / С. А. Микаева, А. Н. Брысин. - Казань : Бук, 2019. - 252 с. ISBN 978-5-00118386-0.
6. Бабенко, В. П. Моделирование статических и динамических потерь в MOSFET-ключах / В. П. Бабенко, В. К. Битюков, В. В. Кузнецов, Д. С. Симачков // Российский технологический журнал. - 2018. - Т. 6. - № 1.
- С. 20-39. - elSSN 2500-316X.
1. Mikaeva, S. A., Mikaeva, A. S. (2017). Jeksperimental'nye issledovanija harakteristik perspektivnyh istochnikov sveta, priborov i sistem [Experimental studies of the characteristics of promising light sources, devices and systems]. Moscow. Rusajns. 136 p. ISBN 978-5-4365-1785-8.
2. Mikaeva, S. A. (2020). Proizvodstvo priborov i sistem s novejshimi istochnikami sveta [Production of devices and systems with the latest light sources]. Moscow. Rusajns. 135 p. ISBN 978-5-4365-2479-5.
3. Mikaeva, S. A., Brysin, A. N. (2018). Jelektrotehnika [Electrical Engineering]. Kazan. Buk. 228 p. ISBN 978-5-00118-150-7.
4. Mikaeva, S. A., Mikaeva, A. S. (2019).
Sovremennye jelektronnye sistemy i ustrojstva [Modern electronic systems and devices]. Moscow. Rusajns. 185 p. ISBN 978-5-4365-3734-4.
5. Mikaeva, S. A., Brysin, A. N. (2019). Promyshlennajajelektronika. Impul'snye ustrojstva i osnovy mikroprocessornoj tehniki [Industrial electronics. Impulse devices and the basics of microprocessor technology]. Kazan. Buk. 252 p. ISBN 978-5-00118-386-0.
6. Babenko, V. P., Bitjukov, V. K., Kuznecov, V. V. Simachkov, D. S. (2018). Modelirovanie staticheskih i dinamicheskih poter' v MOSFET-kljuchah [Modeling of static and dynamic losses in MOSFET keys]. Rossijskij tehnologicheskij zhurnal. V. 6. No 1. P. 20-39. eISSN 2500-316X.
