УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ ТЕМПЕРАТУРОПРОВОДНОСТИ ТЕРМОКОМПЕНСАТОРОВ СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ

Полезная модель относится к областям неразрушающего контроля и теплофизических измерений и может быть использована для определения температуропроводности термокомпенсаторов, изготовленных из металломатричного композиционного материала, в технологическом процессе производства силовых полупроводниковых приборов (СПП).
Экспериментальное определение температуропроводности возможно только при использовании нестационарных методов. Наиболее известны методы температурных волн, использующие периодический нагрев образца, метод вспышки и методы с применением регулярного теплового режима нагрева образца (Теплофизические измерения и приборы / под ред. Е.С. Платунова. Л.: Машиностроение, 1986. с. 149).
Известно устройство для определения теплофизических характеристик материалов, содержащее источник импульсного нагрева, термопару и электронный блок обработки информации. Термопара расположена на поверхности исследуемого образца и подключена к электронному блоку обработки (RU 2212653, МПК G01N 25/18, опубл. 20.09.2003).
Недостаток известного устройства состоит в сложности аппаратуры для обработки результатов измерений импульсного нагрева.
Известен способ неразрушающего контроля теплофизических характеристик материалов, заключающийся в тепловом воздействии точечного источника тепла на поверхность исследуемого образца. Теплофизические характеристики рассчитываются, используя измеренное время достижения максимальной температуры в заданной точке поверхности тела при постоянной мощности источника тепла и величину максимальной избыточной температуры в точке приложения источника тепла при уменьшении мощности пропорционально корню квадратному из времени (SU 1390555, МПК G01N 25/18, опубл. 23.04.1988).
Недостатками известного способа являются ограничения в линейных размерах образца, поскольку с ростом его размеров увеличиваются время измерения и необходимая мощность нагревателя, а также сложность обеспечения заданного закона изменения мощности источника тепла.
Известен способ измерения температуропроводности твердых тел, в том числе тонких пленок, с помощью наведенных светом тепловых динамических решеток (Киселев И.Г., Ивакин Е.В. Оптический метод и устройство для измерения температуропроводности твердотельных материалов // Приборы и методы измерений. 2013. №2(7), с. 12-16; ЕР 017906, МПК G01N 25/18, G01N 21/45, опубл. 30.04.2013).
Недостатком известного способа является сложность аппаратурной реализации и измерительной процедуры, затрудняющие использование метода в качестве средства неразрушающего контроля.
Известны способы определения теплопроводности и температуропроводности образцов с использованием регулярного теплового режима (Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. ГИТТЛ, 1954. 408 с; Шашков А.Г., Волохов Г.М., Абраменко Т.Н. и др. Методы определения теплопроводности и температуропроводности. М.: Энергия, 1973. 336 с.).
Недостатки известных способов состоят в том, что для тонких образцов с высокой температуропроводностью их сложно использовать для неразрушающего контроля, поскольку результаты измерений температуропроводности с использованием указанных способов имеют большую погрешность.
Известен способ измерения температуропроводности, основанный на нагреве плоских образцов-дисков импульсным лазерным излучением (Parker W.J., Jenkins R.J., Butler С.Р., Abbot G.L. Flash method of determining thermal diffusivity, heat capacity and thermal conductivity // J. Appl. Physics. 1961. V. 32. № 9, P. 1679-1684), который получил название метода лазерной вспышки или метода Паркера.
Недостатками известного способа являются использование сложной аппаратуры для формирования коротких тепловых импульсов, равномерно облучающих поверхность образца, и бесконтактной регистрации быстроизменяющейся температуры поверхности, противоположной облучаемой поверхности образца, обеспечение высокой поглощающей способности поверхности образца путем нанесения дополнительного покрытия, накладывая ограничения на последующее использование образцов в технологическом процессе изготовления СПП.
1/2
1/2
а
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является устройство для измерения коэффициента температуропроводности тонких слоев материалов, содержащее лазер, излучающий короткие тепловые импульсы, быстродействующий ИК-детектор теплового излучения и теплоотражающие кольцевые экраны. Для увеличения «эффективной» толщины исследуемого тонкого образца в форме диска, тепловые потоки от фронтальной поверхности, облучаемой лазерной вспышкой, к его тыльной поверхности направлены в радиальном направлении в плоскости образца от периферии к его центру. Для этого фронтальная и тыльная поверхности исследуемого образца закрыты экранами. Один экран формирует кольцевую зону на периферии образца, облучаемую лазерным импульсом, второй позволяет выделить центральную область тыльной поверхности образца, температура которой регистрируется ИК-детектором. Тепловой импульс воздействует на кольцевую периферийную область поверхности образца, и регистрируется время τ достижения половины максимального значения температуры в центре образца. Значение коэффициента температуропроводности рассчитывалось по формуле: =К/τ, где К - коэффициент, не зависящий от материала образца и его толщины (RU 2589760, МПК G01N 25/18, опубл. 10.07.2016. Измерение температуропроводности тонких металлических слоев методом лазерной вспышки // Известия ВУЗов. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2015. №4(36). с. 101-110).
Недостатками известного решения являются использование сложной аппаратуры для формирования коротких тепловых импульсов, облучающих поверхность образца, и бесконтактной регистрации быстроизменяющейся температуры поверхности, противоположной облучаемой, обеспечение высокой поглощающей способности поверхности образца путем нанесения дополнительного покрытия, что накладывает ограничения на последующее использование образцов в технологическом процессе изготовления СПП.
Технический результат заключается в повышении скорости неразрушающего контроля температуропроводности термокомпенсаторов в условиях, максимально приближенных к условиям их эксплуатации в составе СПП, и повышении достоверности результатов измерения температуропроводности.
Технический результат достигается тем, что в устройстве исследуемый и контрольный/эталонный образцы термокомпенсаторов, изготовленные из металломатричного композиционного материала в виде тонких дисков и расположенные соосно по обе стороны нагревателя образцов, выполненного в виде диска диаметром в 3-5 раз меньше диаметра образцов, плотно прижатых к нему с помощью упоров. Нагреватель образцов подключен к формирователю импульса тока, соединенному с источником питания и двухканальным регистратором температуры, к которому подключены датчики температуры образцов, закрепленные на боковых поверхностях образцов. Вблизи открытых поверхностей образцов и нагревателя образцов расположены три теплоотражающих экрана. Исследуемый и контрольный образцы размещены в термостате с регулируемой температурой, в котором нагреватель термостата размещен на внутренней стороне теплоизолирующей стенки термостата и подключен к регулятору температуры термостата, расположенному вне термостата, вход которого подключен к датчику температуры термостата, размещенному вблизи среднего теплоотражающего экрана.
На фиг. 1 представлено устройство для неразрушающего контроля температуропроводности термокомпенсаторов СПП; на фиг. 2 - электрическая блок-схема данного устройства.
Устройство для неразрушающего контроля температуропроводности термокомпенсаторов СПП содержит термостат 1 (фиг. 1, 2), включающий измерительную ячейку (позицией не обозначена), датчик температуры термостата 2, регулятор температуры термостата 3 и нагреватель термостата 4. В измерительной ячейке термостата 1 размещены исследуемый 5 и контрольный/эталонный 6 образцы термокомпенсатора из металломатричного композиционного материала в виде тонких дисков, расположенных соосно по обе стороны нагревателя образцов 7, выполненного в виде диска, и плотно прижатых к нему с помощью упоров 8 и 9. Диаметр образцов 5 и 6 в 3-5 раз превышает диаметр нагревателя образцов 7. На боковых поверхностях образцов 5 и 6 закреплены датчики температуры 10 и 11. Вблизи открытых поверхностей образцов 5, 6 и нагревателя образцов 7 расположены теплоотражающие экраны 12, 13 и 14. Нагреватель образцов 7 подключен к формирователю импульса тока 15, который подключен к источнику питания 16 и двухканальному регистратору температуры 17, соединенному с датчиками температуры 10 и 11. Нагреватель термостата 4 размещен на внутренней стороне теплоизолирующей стенки термостата 1 и подключен к регулятору температуры 3 термостата, расположенному вне термостата 1. Вход регулятора температуры 3 подключен к датчику температуры термостата 2, размещенному вблизи среднего теплоотражающего экрана 13.
1/2И
1/2К
Устройство работает следующим образом. В измерительную ячейку термостата 1 помещают последовательно теплоотражающий экран 12, контрольный/эталонный образец 6, нагреватель образцов 7, теплоотражающий экран 13, исследуемый образец 5 и теплоотражающий экран 14. Образцы 5, 6 прижимаются упорами 8, 9 к нагревателю образцов 7 с заданным усилием. Включают термостат 1, и задают температуру измерения. Теплоотражающие экраны 12, 13 и 14 минимизируют тепловое излучение с открытых поверхностей образцов 5, 6 и нагревателя образцов 7. После стабилизации температуры в термостате 1 нажимают кнопку формирователя импульса тока 15, запуская временную развертку двухканального регистратора температуры 17 сигналов с датчиков температуры 10 и 11 исследуемого 5 и контрольного/эталонного 6 образцов. Сигналы с датчиков температуры 10 и 11 поступают на вход двухканального регистратора температуры 17. Регулятор температуры 3 с датчиком температуры термостата 2 управляет нагревателем термостата 4, поддерживая в нем постоянную температуру. По зависимостям показаний датчиков температуры 10 и 11 от времени определяют время достижения половины максимального значения показаний датчика температуры 11 исследуемого 5 и время достижения половины максимального значения показаний датчика температуры 10 контрольного/эталонного 6 образцов: τ и τ соответственно.
Принцип работы устройства основан на способе определения температуропроводности тонких образцов с высокой теплопроводностью при сформированных в них радиальных тепловых потоках, определяемой соотношением:
где коэффициент К не зависит от материала образца и его толщины,  определяется только диаметрами образца и радиусами теплоотражающего экрана на нагреваемой стороне образца и отверстия в теплоотражающем экране с противоположной стороны (Нищев К.Н., Новопольцев М.И., Беглов В.И., Окин М.А., Лютова Е. Н. Измерение температуропроводности тонких металлических слоев методом лазерной вспышки // Известия ВУЗов. Поволжский регион. Физико-математические науки. 2015. №4(36), с. 101-110).
В предлагаемом устройстве исследуемый образец 5, контрольный/эталонный образец 6 и датчики температуры 10, 11 расположены симметрично относительно нагревателя образцов 7, поэтому коэффициенты К для исследуемого 5 и контрольного/эталонного 6 образцов будут равны.
Для сравнения температуропроводности исследуемого 5 и контрольного/эталонного 6 образцов термокомпенсатора рассчитывают отношение их температуропроводностей по формуле:
где  и  - температуропроводности исследуемого 5 и контрольного/эталонного 6 образцов;
1/2И
1/2К
τ и τ - время достижения половины максимального значения показаний датчиков температуры 10, 11 исследуемого 5 и контрольного/эталонного 6 образцов, соответственно.
Близость значения безразмерной величины n к единице может служить критерием отбраковки исследуемого образца 5 термокомпенсатора.
При использовании эталонного образца 6 с аналогичными размерами и формой, изготовленного из материала с известным значением температуропроводности , определяют значение температуропроводности исследуемого образца 5 по формуле:
По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет повысить скорость неразрушающего контроля температуропроводности термокомпенсаторов, изготовленных из металломатричного композиционного материала с высокой теплопроводностью, в условиях, максимально приближенных к условиям их эксплуатации в составе СПП, и повысить достоверность результатов измерения температуропроводности.