基于紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的傳熱學(xué)探索

郭智磊

摘 要 紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)主要是利用傳熱學(xué)的有關(guān)原理，對(duì)目標(biāo)材料的缺陷進(jìn)行精確檢測(cè)。本文首先運(yùn)用傳熱學(xué)理念分析了紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際運(yùn)算案例，然后對(duì)運(yùn)算案例做出了進(jìn)一步具體解析，最后探索了紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)和相關(guān)結(jié)果。

關(guān)鍵詞 紅外；無(wú)損檢測(cè)；技術(shù)；傳熱學(xué)；探索

中圖分類號(hào) TN21 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2016）162-0179-02

在進(jìn)行紅外無(wú)損檢測(cè)時(shí)，若是對(duì)檢測(cè)目標(biāo)灌入恒定熱流，則假設(shè)樣品內(nèi)部有著一定缺陷，由于缺陷部分和無(wú)缺陷部分的熱擴(kuò)散系數(shù)存在差異，所以樣品表層對(duì)應(yīng)的位置也會(huì)產(chǎn)生溫差。根據(jù)樣品表層溫度的變化情況，就可以知道樣品內(nèi)部缺陷的大小、形狀、性質(zhì)與深度。通常使用的檢測(cè)設(shè)備包括紅外熱像儀與熱敏涂料等。

1 有關(guān)傳熱學(xué)的分析與實(shí)際運(yùn)算案例

對(duì)于一塊具有缺陷的平板材料，如果缺陷橫截面過(guò)大，導(dǎo)致其面積超過(guò)了整個(gè)平板的厚度，這時(shí)可以忽略掉熱流的橫向分散，僅僅結(jié)合厚度方面的熱流傳輸，就可以把該問(wèn)題簡(jiǎn)化成一個(gè)維熱傳導(dǎo)模型，從而將有缺陷的部分與沒(méi)有缺陷的部分區(qū)分開(kāi)來(lái)，對(duì)這二者的實(shí)際溫度進(jìn)行獨(dú)立求解。

在紅外無(wú)損的有關(guān)檢測(cè)過(guò)程中，最為關(guān)鍵的就是表層溫度T1s（t）與T2s（t）以及表層溫差△T（t）的實(shí)際數(shù)值。只有確定好這些數(shù)據(jù)以后，才能夠挑選出適當(dāng)?shù)臋z測(cè)儀器、檢測(cè)設(shè)施，并且確保這些設(shè)施的靈敏度和精確度。若是將具有脫粘區(qū)的鍵合硅片作為例子，按照數(shù)值法進(jìn)行運(yùn)算，就可以繪制出幾組關(guān)于樣品的運(yùn)算曲線圖。

2 運(yùn)算案例的具體分析

例如，有一塊厚度為ι的鍵合硅片，且ι=480μm，在表層之下ι1=240μm的地方，有一處深度檢測(cè)數(shù)據(jù)為d=0.4μm的缺陷（即脫粘）。把這一樣品放在溫度為20℃的環(huán)境下，在其底面用60℃的恒定熱流加熱，這時(shí)便可以運(yùn)用數(shù)值法，算出該樣品表層有缺陷部分及無(wú)缺陷部分中的溫度差值，具體以T1s（t）與T2s（t）表示，進(jìn)而計(jì)算出這兩個(gè)部分的溫度差△Ts（t）。

在運(yùn)用數(shù)值法計(jì)算樣品時(shí)，可以參照熱物理的相應(yīng)數(shù)據(jù)，具體可見(jiàn)表1所示。在運(yùn)算過(guò)程中，采用的二氧化硅熱轉(zhuǎn)換系數(shù)h=0.005w/cm2，可以算出表層溫度差和加熱時(shí)長(zhǎng)之間的聯(lián)系、表層溫度差和脫粘區(qū)距離上層深度之間的聯(lián)系、表層溫差和脫粘厚度之間的聯(lián)系以及鍵合硅片缺陷顯示度和延遲時(shí)長(zhǎng)t之間的聯(lián)系。

可以得知，硅片的熱擴(kuò)散系數(shù)偏高，并且樣品偏薄，因而溫度分布達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間很短。在溫度穩(wěn)定的時(shí)期內(nèi)，△T的值較小，所以缺陷顯示度也會(huì)隨之減小。在這樣的條件之下，如果選用穩(wěn)定法進(jìn)行測(cè)量，就無(wú)法獲得較為精確的顯示度。若要想檢測(cè)出高度準(zhǔn)確的缺陷顯示度，就要采用擬彩法與瞬態(tài)法，并在灌入熱流的同時(shí)對(duì)樣品展開(kāi)測(cè)量。

隨著缺陷在材料中的深度越來(lái)越高，材料表層的溫度差會(huì)隨之越來(lái)越小。出現(xiàn)這樣的情況是因?yàn)槿毕萆喜康牟牧习褵崃可⒉奸_(kāi)來(lái)，從而導(dǎo)致表層溫度逐步下降。脫粘的厚度越大，其表層溫度差也就越大，這時(shí)候進(jìn)行測(cè)量會(huì)更容易獲得精確數(shù)值。

一般來(lái)說(shuō)，可以將缺陷顯示度視為測(cè)量缺陷的主要標(biāo)準(zhǔn)，其公式如下：

A=△Ts/T，

其中，△Ts代表的是有缺陷部分和無(wú)缺陷部分的表層溫度差值，T代表的是缺陷部分核心位置的表層溫度。從運(yùn)算過(guò)程與結(jié)果可以看出，該案例中，缺陷顯示度和延遲時(shí)長(zhǎng)之間的聯(lián)系表現(xiàn)出缺陷顯示度會(huì)隨著延遲時(shí)長(zhǎng)的變化而變化，因此，可以將顯示度A所對(duì)應(yīng)的時(shí)間視為最佳延遲時(shí)間，而這也屬于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的最佳時(shí)間。

3 紅外無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)和結(jié)果分析

運(yùn)用AGA780紅外熱像儀，針對(duì)鍵合硅片內(nèi)部的脫粘部分展開(kāi)實(shí)驗(yàn)觀察，把經(jīng)過(guò)直接鍵合的硅片緊緊粘貼到加熱器的等溫層上，再依據(jù)上述運(yùn)算方法和結(jié)果，利用瞬態(tài)法對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。檢測(cè)過(guò)程中，要一邊灌入熱流，一邊測(cè)量數(shù)值，同時(shí)調(diào)整熱像儀掃描器和樣品之間的距離，保證樣品可以在熱像儀屏幕上形成清楚的影像。此后，鍵合硅片會(huì)在屏幕上呈現(xiàn)出紅外熱像圖，通過(guò)仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)圖上有一處發(fā)亮的位置，而該位置就是鍵合完成的部分。周圍較暗的位置就是缺陷部分，由于尚未鍵合完成的缺陷部分比鍵合完成的部分擁有更高的熱阻，所以對(duì)樣品反面進(jìn)行加熱時(shí)，缺陷部分樣品表層要比鍵合完成部分的表層溫度更低，對(duì)應(yīng)的熱圖像亮度也會(huì)更暗。

在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，可以利用掌控加熱時(shí)長(zhǎng)調(diào)節(jié)熱流灌入樣品的深度。硅片厚度總體偏薄，所以，加熱溫度不能過(guò)高，加熱時(shí)間也不能太長(zhǎng)，只要在熱像儀屏幕上顯示出了清楚的影像，就可以停止加熱。在測(cè)量時(shí)，要保證樣品表層的清潔，加熱器和樣品之間也應(yīng)當(dāng)有良性的接觸。

4 結(jié)論

根據(jù)理論上的相關(guān)運(yùn)算與實(shí)踐測(cè)試可以看出，在進(jìn)行實(shí)際測(cè)量時(shí)，最佳缺陷顯示度的時(shí)間比理論運(yùn)算得出的時(shí)間更長(zhǎng)。這是由于在實(shí)行一維運(yùn)算的時(shí)候忽視了橫向熱擴(kuò)散，也沒(méi)有關(guān)注到輻射熱阻與接觸熱阻，所以運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生了一定偏差。若是以理論運(yùn)算法得出的最佳加熱時(shí)間較短，則可以選用瞬時(shí)法；如果得出的時(shí)間較長(zhǎng)，則可以選用穩(wěn)態(tài)法。

參考文獻(xiàn)

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