Разработка оптического метода контроля качества функциональной керамики

УДК 621.319.4:620.179

П.М. Плетнев, Г.В. Симонова, С.А. Степанова СГГ А, СГУПС, Новосибирск

РАЗРАБОТКА ОПТИЧЕСКОГО МЕТОДА КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ КЕРАМИКИ

Приведены результаты исследования взаимосвязи светопропускания керамики различных марок с параметрами её микроструктуры. Установленные зависимости могут быть использованы для неразрушающего экспресс контроля качества функциональной керамики.

P.M. Pletnev, G. V. Simonova, S.A. Stepanova Siberian State Academy of Geodesy

10 Plakhotnogo UI., Novosibirsk , 630108, Russian Federation

DEVELOPMENT OF AN OPTICAL METHOD OF THE CHECKING QUALITY OF FUNCTIONAL CERAMICS

Results of research of interrelation light-transparency of ceramics of the different marks with parameters of its microstructure and properties are resulted. The established dependences can be used for a quantitative estimation of quality of functional ceramics.

В современной технике функциональная керамика находит разнообразное применение, например, различные виды корундовой керамики используются в электронных приборах в качества деталей металлокерамической оболочки, для изготовления плат интегральных схем и т.д.

Одним из характерных видов отказов электронных приборов с

металлокерамической оболочкой является потеря герметичности и

проникновение атмосферных газов внутрь объёма. Этот вид брака связан с нарушениями в металлокерамической оболочке. Наиболее грубые нарушения выявляются в процессе технологических испытаний приборов, более тонкие нарушения обнаруживаются в процессе эксплуатации в течение нескольких месяцев и даже лет.

Высокие требования к надёжности металлокерамической оболочки электронных приборов определяют необходимость строгого контроля качества материалов и деталей из них в процессе их изготовления. При этом должно быть обеспечено гарантированное качество каждой керамической детали.

Выполнение требований, предъявляемых к керамическому материалу, обеспечивается качеством исходного сырья и стабильностью технологии изготовления. Свойства керамических изделий во многом определяются их микро структурой.

Спеченные керамические изделия являются поликристаллическими. Для обозначения внутреннего строения керамики употребляется термам «микроструктура». Под микроструктурой керамических материалов понимают распределение и относительное количество кристаллических и аморфной фаз, размер и форму кристаллов, содержание газовой фазы - пор, их величину и

распределение по размерам. Установление взаимосвязи между микро -структурой керамики и технологией её изготовления с одной стороны, микроструктурой и свойствами с другой стороны, позволяет обеспечивать требуемые свойства готового керамического материала.

Для получения керамических деталей, обеспечивающих надёжную работу изделий электронной техники необходимо установление требований по оптимальной микроструктуре керамики, создание высокопроизводительных и надёжных методов контроля микроструктуры и совершенствование технологии изготовления изделий с целью обеспечения этих требований.

На рис. 1 приведена характерная картина для спая, отвечающего технологическим требованиям.

Рис. 1.Спай герметичного прибора

Для обеспечения равномерного и надёжного соединения металлического и керамического слоя необходимо наличие достаточного объёма стеклофазы и среднего размера фрагментов кристаллической фазы не менее 10 мкм [1].

На рис. 2 приведены фотографии керамики, имеющие различную структуру, что обусловлено различной температурой обжига.

Рис. 2. Микроструктура керамики ВК95-1, обожжённой при температуре:

а) 1640 °С; б) 1700 °С

На изображении а) размер кристаллов не превышает 6 мкм (4-6 мкм) и стеклофаза распределена мелкими участками (тёмные точки). Такое состояние микроструктуры не соответствует требованиям, обеспечивающих герметичность спаев.

На изображении б) фрагменты кристаллической фазы находятся в пределах 10-15 мкм, содержание стеклофазы хорошо развито, что соответствует технологическим условиям хорошего спая. Результаты получены при увеличением 360х.

Наблюдаемое визуальное отличие образцов различной структуры позволяет предположить различия их оптических характеристик и возможность их использования для контроля микроструктуры керамики.

В табл. 1 приведены результаты измерений и расчёта показателей поглощения корундовой керамики, имеющей различную микроструктуру. Измерения проводились по методике, описанной в [2]. Данные приведены с учётом величины отражённого сигнала от границы раздела.

Таблица 1 . Результаты изменения показателя поглощения керамики различных

марок, мм-1

Марка керамики Размер кристаллов, мкм Спектральный интервал

Сплошной

5 К п к о и о о 2 2 ч ВК95-1 h=7,0мм 10-15 5 0.272 0.067 0.028 0.916

к 0.185 0.386 0.511 0.013

ВК95-1 h=2,6мм 4-6 5 0.442 0.223 0.120 0.312

к 0.314 0.577 0.835 0.448

Измерения проводились как с использованием светофильтров, задающих определённый спектральный интервал светового потока, так и со сплошным спектром от лампы накаливания. Полученные результаты иллюстрируются графиками на рис. 3.

Полученные результаты показывают зависимость коэффициента пропускания среды не только от спектрального состава излучения и химического состава среды, но и от её микроструктуры, что особенно важно для контроля качества керамики.

Подобие графиков спектральных характеристик для различных образцов отображает подобие физических свойств материалов, а количественные различия показателя поглощения отражают влияние микроструктуры. Следовательно, может быть установлена однозначная связь между

коэффициентом пропускания образца и его пригодностью для использования в дальнейшем технологическом процессе.

Рис. 3. Зависимость показателя поглощения вещества от спектрального состава

излучения

Использование оптического метода контроля позволит обеспечить оперативность и повысить достоверность результатов контроля по сравнению с существующими в настоящее время методиками, а также осуществить контроль всей площади образца, а не фрагмента поверхности, который наблюдается в поле микроскопа.

В результате проведённых экспериментов выявлена заметная взаимосвязь микроструктуры и фазового состава керамики с её светопропусканием. Показана возможность использования оптических измерений для неразрушающего 100 % контроля качества керамических материалов, что особенно важно в условиях серийного производства.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Степанова, С.А. Оптимизация микроструктуры керамики и разработка методов её контроля в условиях серийного производства / С.А. Степанова // дис. канд. техн. наук. -Свердловск: 1984. - 209 с.

2. Плетнев, П.М., Симонова, Г.В., Рогов, В.И., Степанова, С.А. Зависимость светопропускания вакуумноплотных керамических материалов от спектрального состава излучения / П.М. Плетнев, Г.В. Симонова, В.И. Рогов, С.А. Степанова // Сборник материалов IV Международного научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2008». - Новосибирск: 2008. - Ч. 2. - С. 162-165.

© П.М. Плетнев, Г.В. Симонова, С.А. Степанова, 2010