Электротепловой метод (Тема для сдачи - Электротепловой метод - в MS Word)

ЭЛЕКТРОТЕПЛОВОЙ МЕТОД РАЗДЕЛЬНОГО КОНТРОЛЯ УДЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОВОДИМОСТИ И ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ

М. В. Асанов, Ю. А. Плотников, А. Е. Пятышин, Л. А. Чернов

Рассмотрен комбинированный электротепловой метод контроля качества тонких металлических покрытий (1 – 200 мкм) на изоляционном основании, основанный на совместном применении электроконтактного и теплового методов и позволяющий осуществить раздельный контроль толщины и удельной электрической проводимости материала покрытия, что трудно реализуется другими методами.

Целью настоящей статьи является анализ и разработка комбини­рованного метода раздельного контроля удельной электрической про­водимости и толщины тонких (1 – 200 мкм) покрытий на ди­электрическом основании, осно­ванного на электрических и теп­ловых измерениях. Для измере­ния толщины тонких металли­ческих покрытий широко приме­няются наряду с другими вихретоковые и электроконтактные приборы. Например, приборы
ИТМ-10, ИТМ-21 позволяют из­мерять толщину металлизации в
отверстиях печатных плат диаметром 0,8 – 1,5 мм. Погрешность измерения толщины ±5 мкм в диапазоне 5 – 50 мкм [1]. Основ­ная составляющая погрешности определяется тем, что амплитуда и фа­за выходного напряжения вихретокового преобразователя (ВТП) при контроле параметров объекта контроля (ОК) с тонким электропрово­дящим слоем толщиной зависит от произведения [2], поэтому ста­бильность показаний приборов определяется стабильностью технологи­ческого процесса, определяющего величину удельной электрической проводимости материала покрытия.

Рисунок 1. Размещение зондов для измерения

удельной электрической проводимости

плоского покрытия

Уменьшить погрешность вихретоковых приборов можно, лишь оп­ределив электрическую проводимость материала и произведя соот­ветствующую коррекцию показаний. Этот путь позволяет снизить пог­решность до значения, обусловленного разбросом показаний при пов­торных измерениях, которое для вихретоковых методов равно ±1% [3].

Электроконтактный метод основан на измерении омического соп­ротивления покрытий известной толщины и последующего расчета параметров покрытия. Измерение малых сопротивлений металлизации проводят любым из известных способов, например, с помощью моста постоянного тока или микроомметра с четырехзондовыми контактами, исключающими влияние на результаты измерения сопротивления про­водов и контактных переходов. Существенным недостатком метода является невозможность раздельного контроля толщины и электропро­водности материала покрытия, как и для вихретокового метода, по­скольку в формулу для расчета материала входит величина .

Приборы «Кавидерм» («УПА Текнолоджи», США), основанные на измерении сопротивления участка покрытия, широко применяются для измерения толщины металлизации отверстий печатных плат. Недостат­ком прибора является влияние удельной электрической проводимости материала покрытия на результаты измерений. Исключить это влияние можно, измерив удельную электрическую проводимость на образце-свидетеле с известными геометрическими размерами, получен­ном в едином технологическом процессе металлизации электроконтакт­ным методом. Толщину покрытия определяют другими методами, на­пример оптическим, с помощью микроскопа.

Таким образом, существующие методы и приборы не позволяют выполнить раздельный контроль толщины и удельной электрической проводимости тонких покрытий. Для решения этой задачи предлага­ется использовать электротепловой метод, представляющий собой со­четание электроконтактного метода измерения малых сопротивлений и теплового метода, при этом для электроконтактного метода допол­нительной служит информация о толщине, получаемая при нагреве покрытия.

Рассмотрим реализацию электроконтактного метода измерения удельной электрической проводимости бесконечно протяженного метал­лического покрытия на изоляционном основании четырехзондовым ме­тодом (рисунок 1). Для плоской поверхности, линейные размеры которой превосходят, по крайней мере, в 10 раз расстояние между зондами , удельная электрическая проводимость материала покрытия опреде­ляется из выражения [4]

, (1)

где – ток через токовые зонды; – напряжение между потенциаль­ными контактами; – толщина покрытия. Значение , можно изме­рить соответствующими электроизмерительными приборами за не­большой промежуток времени. Если толщина покрытия не известна, то определить ее можно с помощью механических, радиационных, оп­тических и других приборов, что сильно усложняет процесс измере­ния . Эта задача может быть решена при использовании электроиз­мерительных приборов при проведении измерений как проводимости, так и толщины покрытия за короткий по времени цикл выполняемых измерений.

В работе [5] показано, что утонения покрытия можно определить, пропуская ток, вызывающий нагрев участка покрытия, и одновременно измеряя приращения напряжения на нем. Для плоского покрытия уве­личение напряжения между потенциальными контактами будет про­порционально силе тока, времени нагрева, температурному коэффи­циенту электрического сопротивления и обратно пропорционально его толщине. Однако получить аналитическое выражение, связывающее ток и напряжение с параметрами покрытия (прежде всего с толщи­ной и электрической проводимостью), не представляется возможным. Решить эту задачу можно экспериментально, получив зависимость по­казания приборов от толщины, подобно тому, как в [6].

Для того чтобы осуществить нагрев участка плоского покрытия за короткий промежуток времени, необходимо пропускать значительный ток. Это требует создания зондов специальной конструкции, обеспечи­вающих хороший электрический контакт с электропроводящим покры­тием.

Более подходящим для технической реализации измерения удель­ной электрической проводимости является участок тонкого покрытия в виде узкой полоски длиной 50 – 100 мм и шириной 0,2 – 1,0 мм. Мож­но воспользоваться участком готового покрытия ОК (например, про­водники печатных плат после травления рисунка) или изготовить по­лоску-свидетель заданной длины и ширины для измерения проводимо­сти материала покрытия.

Измеряя сопротивление участка покрытия длиной , шириной (рисунок 2) электроконтактным методом, можно вычислить удельную электрическую проводимость по формуле

. (2)

В этом случае тоже требуется дополнительно провести измерение толщины покрытия . Для расширения возможностей электроконтакт­ного метода предлагается использовать нагрев полоски покрытия в про­цессе измерения его сопротивления для одновременного контроля как , так и [7].

В электротепловом методе используются свойства металлов изме­нять значение удельного электрического сопротивления (проводимости) при изменении температуры. Нагрев осуществляется за счет про­пускания тока, который является измерительным для электроконтакт­ного метода.

Рисунок 2. Схема измерения электроконтактным ме­тодом.

Если ОК в виде полоски электропроводящего покрытия длиной , шириной и толщиной на диэлектрическом основании с начальной температурой сообщить (или отвести от него) известное количест­во тепла , то температура полоски изменится на величину

, (3)

где – масса покрытия; – плотность материала покрытия; – удельная теплоемкость. При этом удельное электрическое сопротивле­ние металла

, (4)

где – удельное сопротивление при начальной температуре ; – температурный коэффициент удельного сопротивления (ТКС) металла. Для сопротивлений и участка покрытия сечением при температурах и соответственно имеем:

; . (5)

Из формул (3) – (5) можно получить значение удельной электри­ческой проводимости и толщины, измерив и :

; (6)

, (7)

где .

Если осуществлять нагрев ОК, пропуская через него электрический ток , то в первом приближении количество тепла, пошедшее на на­грев покрытия,

, (8)

где – длительность импульса нагрева; – напряжение на потен­циальных контактах в первый момент после начала нагрева покры­тия.

Выражение (8) является приближенным, поскольку не учитывает изменение сопротивления в процессе нагрева. Кроме того, часть тепла, получаемого от источника тока, идет на нагрев основания. Измеряя напряжение на ОК при пропускании через него тока в первый мо­мент после включения ( ) и через интервал времени , можно вы­числить электрическую проводимость и толщину покрытия:

; (9)

, (10)