基于红外无损检测技术的传热学探索 .pdfVIP

基于红外无损检测技术的传热学探索

摘要红外无损检测技术主要是利用传热学的有关

原理，对目标材料的缺陷进行精确检测。本文首先运用传热

学理念分析了红外无损检测技术的实际运算案例，然后对运

算案例做出了进一步具体解析，最后探索了红外无损检测技

术的传热学实验和相关结果。

关键词红外；无损检测；技术；传热学；探索

中图分类号TN21文献标识码A文章编号1674-6708

（2016）162-0179-02

在进行红外无损检测时，若是对检测目标灌入恒定热流，

则假设样品内部有着一定缺陷，由于缺陷部分和无缺陷部分

的热扩散系数存在差异，所以样品表层对应的位置也会产生

温差。根据样品表层温度的变化情况，就可以知道样品内部

缺陷的大小、形状、性质与深度。通常使用的检测设备包括

红外热像仪与热敏涂料等。

1有关传热学的分析与实际运算案例

对于一块具有缺陷的平板材料，如果缺陷横截面过大，

导致其面积超过了整个平板的厚度，这时可以忽略掉热流的

横向分散，仅仅结合厚度方面的热流传输，就可以把该问题

简化成一个维热传导模型，从而将有缺陷的部分与没有缺陷

的部分区分开来，对这二者的实际温度进行独立求解。

在红外无损的有关检测过程中，最为关键的就是表层温

度T1s（t）与T2s（t）以及表层温差△T（t）的实际数值。

只有确定好这些数据以后，才能够挑选出适当的检测仪器、

检测设施，并且确保这些设施的灵敏度和精确度。若是将具

有脱粘区的键合硅片作为例子，按照数值法进行运算，就可

以绘制出几组关于样品的运算曲线图。

2运算案例的具体分析

例如，有一块厚度为ι的键合硅片，且ι=480μm，在

表层之下ι1=240μm的地方，有一处深度检测数据为d=0.4

μm的缺陷（即脱粘）。把这一样品放在温度为20℃的环境

下，在其底面用60℃的恒定热流加热，这时便可以运用数值

法，算出该样品表层有缺陷部分及无缺陷部分中的温度差值，

具体以T1s（t）与T2s（t）表示，进而计算出这两个部分的

温度差△Ts（t）。

在运用数值法计算样品时，可以参照热物理的相应数据，

具体可见表1所示。在运算过程中，采用的二氧化硅热转换

系数h=0.005w/cm2，可以算出表层温度差和加热时长之间的

联系、表层温度差和脱粘区距离上层深度之间的联系、表层

温差和脱粘厚度之间的联系以及键合硅片缺陷显示度和延

迟时长t之间的联系。

可以得知，硅片的热扩散系数偏高，并且样品偏薄，因

而温度分布达到稳定状态所需的时间很短。在温度稳定的时

期内，△T的值较小，所以缺陷显示度也会随之减小。在这

样的条件之下，如果选用稳定法进行测量，就无法获得较为

精确的显示度。若要想检测出高度准确的缺陷显示度，就要

采用拟彩法与瞬态法，并在灌入热流的同时对样品展开测量。

随着缺陷在材料中的深度越来越高，材料表层的温度差

会随之越来越小。出现这样的情况是因为缺陷上部的材料把

热量散布开来，从而导致表层温度逐步下降。脱粘的厚度越

大，其表层温度差也就越大，这时候进行测量会更容易获得

精确数值。

一般来说，可以将缺陷显示度视为测量缺陷的主要标准，

其公式如下：

A=△Ts/T，

其中，△Ts代表的是有缺陷部分和无缺陷部分的表层温

度差值，T代表的是缺陷部分核心位置的表层温度。从运算

过程与结果可以看出，该案例中，缺陷显示度和延迟时长之

间的联系表现出缺陷显示度会随着延迟时长的变化而变化，

因此，可以将显示度A所对应的时间视为最佳延迟时间，而

这也属于观察实验现象的最佳时间。

3红外无损检测技术的传热学实验和结果分析

运用AGA780红外热像仪，针对键合硅片内部的脱粘部

分展开实验观察，把经过直接键合的硅片紧紧粘贴到加热器

的等温层上，再依据上述运算方法和结果，利用瞬态法对其

进行检测。检测过程中，要一边灌入热流，一边测量数值，

同时调整热像仪扫描器和样品之间的距离，保证样品可以在

热像仪屏幕上形成清楚的影像。此后，键合硅片会在屏幕上

呈现出红外热像图，通过仔细观察会发现图上有一处发亮的

位置，而该位置就是键合完成的部分。周围较暗的位置就是

缺陷部分，由于尚未键合完成的缺陷部分比键合完成的部分

拥有更高的热阻，所以对样品反面进行加热时，缺陷部分样

品表层要比键合完成部