X Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2018

Керамические подложки относятся к числу основных конструктивных элементов электронных изделий. Они широко используются для изготовле­ния резисторов, конденсаторов, многослойных коммутационных плат, под­ложек для гибридных интегральных схем и т.д. Одним из важнейших пара­метров подложек является состояние их поверхности, от качества которой во многом зависят электрические параметры изделий и их стабильность.

Качество поверхности подложки принято характеризовать шероховато­стью. Шероховатость влияет на износостойкость, контактную жесткость, коррозионную стойкость и другие функциональные характеристики изделия. Характеристики и параметры шероховатости поверхностей устанавливает [1], требования которого распространяются на поверхности изделий независимо от их материала и способа изготовления (исключение составляют ворсистые, пористые и аналогичные поверхности).

Согласно стандарту [ 1] под шерохова­тостью поверхности понимают совокупность неровностей поверхности с от­носительно малыми шагами, выделенную с помощью базовой длины. Базо­вую длину стандарт определяет как длину базовой линии, используемой для выделения неровностей, характеризующих шероховатость поверхности. Ба­зовая линия имеет идеальную геометрическую форму, соответствующую но­минальному профилю рассматриваемой поверхности. Она может быть пря­мой, дугой окружности, или иметь иную форму, которая определяется нор­мальным сечением номинальной поверхности плоскостью. Шероховатость поверхности описывают характеристиками и параметрами микронеровностей профиля, получаемого путем сечения реальной поверхности плоскостью, направленной по нормали к ней. В случае, когда к реальной поверхности мо­жет быть проведено множество нормальных секущих плоскостей, выбирают сечение, имеющее максимальные параметры шероховатости, если направле­ние измерения шероховатости не оговорено специально. Так, к номинально плоской поверхности секущие плоскости могут быть проведены в любом нормальном направлении, а к номинально цилиндрической – либо через ось, либо перпендикулярно к ней. Параметры шероховатости оценивают с ис­пользованием системы координат, одной из осей которой является средняя линия профиля m (рисунок 1).

Рисунок 1 – Параметры шероховатости.

Средней линией профиля m называется базовая линия, имеющая форму номинального профиля поверхности и делящая действительный профиль так, что в пределах базовой длины сумма квадратов расстояний y₁...y_i точек про­филя до этой линии минимальна. На профилограмме, представляющей ре­альный профиль, средняя линия профиля проходит таким образом, что пло­щади между контуром профиля и линией m, расположенные выше и ниже средней линии в пределах длины l, должны быть равны между собой. Выбор базовой длины приходится увязывать со значениями параметров шерохова­тости оцениваемого профиля. Недостаточная длина не обеспечит представи­тельности оценки параметров, а слишком большая – приведет к искажению оценки параметров из-за влияния макрогеометрии. Стандарт устанавливает для количественной оценки шероховатости шесть параметров: три высотных (Ra, Rz, Rmax), два шаговых (Sm, S) и параметр tр, характеризующий отно­сительную опорную длину профиля.

Наибольшее распространение получили щуповые методы. При щуповом (контактном) методе измерения неровностей поверхности в качестве щупа используют остро заточенную иглу, поступательно перемещающуюся по определенной трассе относительно поверхности. Ось иглы располагают по нормали к поверхности. Опускаясь во впадины, а затем, поднимаясь на выступы во время движения ощупывающей головки по испытуемой поверхности, игла колеблется относительно головки соответственно огибаемому профилю. Механические колебания иглы преоб­разуются, как правило, в электрические при помощи электромеханического преобразователя того или иного типа. Снятый с преобразователя полезный сигнал усиливают, а затем измеряют его параметры, характеризующие не­ровности исследуемой поверхности (профилометрирование), или записывают параметры профиля поверхности в заранее выбранных вертикальном и гори­зонтальном масштабах (профилографирование). Щуповые электромеханиче­ские приборы, предназначенные для измерений параметров шероховатости поверхности, принято называть называют профилометрами, а при наличии функции регистрации рельефа - профилографами. В ряде конструкций щуповых приборов (Mitutoyo Surftest SJ-301, HOMMEL TESTER T1000, и др.) применяются пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрический преобразователь выполняют в виде элемента͵ склеенного из двух пластин пьезоэлектрика (титанат бария, титанат циркония, сегнетова соль и др.) и имеющего на конце иглу.

В качестве примера профилографа – профилометра рассмотрим прибор «SJ – 210P Mitutoyo»( Япония) [2] (рисунок 2).

Рисунок 2 Внешний вид переносного профилографа – профилометра «SJ – 210P Mitutoyo»

Данный профилограф – профилометр предназначен для определения параметров шероховатости поверхности изделий, сечение которых в плоскости измерения представляет прямую линию, то есть плоские поверхности, отверстия, образующие цилиндрических поверхностей, и может применяться как в лаборатории, так и в условиях производства. Прибор достаточно простой, надёжный и удобный в эксплуатации. В этом профилографе датчик и основная измерительная база разделены, что позволяет производить измерения в труднодоступных местах. Прибор обладает широкими функциональными возможностями, имеет большой диапазон измерения (до 360 мкм при длине трассы от 0,08 до 2.5 мм), высокой скоростью измерения (до 0,75 мм/с).

Отметим, что в настоящее время отечественной и зарубежной промышленностью выпускается большое многообразие приборов, использующих щуповой метод для определения параметров шероховатости, и развитое программное обеспечение к ним [].

Наряду с несомненными достоинствами щуповых методов оценки шероховатости поверхности следует отметить их недостатки:

– непосредственно определять шероховатость можно у деталей ограниченных размеров и, как правило, имеющих простые поверхности (плоская, цилиндрическая и т.д.);

– профилограммы записываются только в одном направлении и не дают полную информацию о распределении микронеровностей;

– адекватность получаемой информации о профиле неровностей поверхности зависит от погрешностей огибания поверхности щупом и от погрешности преобразования механических колебаний иглы в электрические колебания;

– для некоторых изделий использование контакта исследуемой поверхности с алмазной иглой профилографа вообще недопустимо, так как при её перемещении на поверхности могут оставаться микроповреждения, которые в дальнейшем могут существенно снизить эксплуатационные характеристики изделия;

– существенным недостатком профильных методов является и чересчур большое время (порядка нескольких минут), затрачиваемое на получение информации о шероховатости исследуемой поверхности изделий, что полностью исключает оперативный контроль шероховатости в реальном масштабе времени непосредственно при их изготовлении. Отмеченный недостаток в ещё большей степени относится и к методу слепков.

На рисунке 4 приведена фотография исследуемого образца подложки после оценки шероховатости щуповым методом. Фотография получена с помощью растрового электронного микроскопа VEGA3 TESCAN.

Рисунок 5 Повреждения образца при использовании щупового метода

Бесконтактные методы получения информации о шероховатости поверхностей лишены некоторых из отмеченных недостатков, в частности, они безынерционны, их использование не наносит повреждение исследуемой поверхности. На рисунке 6 представлен оптический профилометр WYKO NT 1100 (США), который позволяет быстро получать трехмерное изображение рельефа поверхности бесконтактным методом с высоким разрешением.

А

Б

Рисунок 6 Оптический профилометр WYKO NT 1100:

а - внешний вид, б - протокол замеров

Измерения осуществляются по двум различным методикам: фазосдвигающей интерферометрии (Phase-Shifting Interferometry, PSI) и вертикальной сканирующей интерферометрии (Vertical Scanning Interferometry, VSI). Для проведения измерений методом фазосдвигающей интерферометрии (PSI) используется монохроматический свет. В каждой точке матрицы вычисляется разность фаз между лучами. Для этого разность хода специально меняют малыми шагами по 1/4 длины волны используемого света (λ/4). Ограничения этого метода заключаются в том, что перепад высот между соседними точками на поверхности не должен превышать λ/4. Для красного света (λ= 630 нм) высота ступенек не должна превышать 160 нм. Метод вертикальной сканирующей интерферометрии (VSI) основан на регистрации интерференционных картин в белом свете при перемещении образца по вертикали. Метод позволяет измерять поверхности с большими значениями параметров шероховатости, а также различные дефекты глубиной до двух мм. Положение реперного зеркала в объективах подобрано таким образом, чтобы оптическая разность хода была равна нулю. При этом условии в интерференционной картине возникают максимумы для всех длин воли, и наблюдается абсолютный максимум интенсивности, регистрируемый видеокамерой. Таким образом, если в некоторой точке образца наблюдается абсолютный максимум, она находится в фокусе. При вертикальном сканировании все точки поверхности поочередно проходят через фокус. По последовательности полученных интерференционных картин видеокамера определяет изменения интенсивности света в каждой точке в зависимости от расстояния. Программа вычисляет положение максимума интенсивности для каждой точки матрицы, после чего восстанавливается форма поверхности, основанная на регистрации интерференционных картин в белом свете при перемещении образца по вертикали. Имеющееся программное обеспечение («Wyko Vision 32») позволяет использовать обе методики при одном измерении, строить трехмерные изображения рельефа поверхности, линейные профили поверхности в заданном направлении и гистограммы распределения пиков по высоте, а также позволяет рассчитывать параметры шероховатости различных материалов. Метрологические характеристики профилометра приведены в таблице 1.

Таким образом наличие в России подобного рода бесконтактных профилометров позволит повысить точность измерения параметров исследуемых керамических подложек, тем самым обеспечит качество изготавливаемых отечественными предприятиями изделий электронной техники.

Таблица 1 Метрологические характеристики оптического профилометра WYKO NT 1100

Измеряемые параметры шероховатости	Параметры по ГОСТ 2789-73, ИСО 4287
Диапазон измерений по вертикали, нм:
- в режиме фазосдвигающей интерферометрии (PSI)	0,1… 160
- в режиме вертикальной сканирующей интерферометрии (VSI)	1-2 х106
Дискретность отсчета, нм:
- в режиме фазосдвигающей интерферометрии (PSI),	0,1
- в режиме вертикальной сканирующей интерферометрии (VSI)	1,0
Разрешение по вертикали, нм	0,1
Латеральное разрешение, мкм	0, 8.....13,1
Вертикальная скорость сканирования не более, мкм/с	7,2
Габаритные размеры, мм -длина -ширина -высота	400 510 740

Список используемых источников

1. ГОСТ 2789-73 Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики [Электронный ресурс ] http://docs.cntd.ru/document/1200003160

2. Профилометр Surftest SJ-210Р . Руководство по эксплуатации [Электронный ресурс ] https://micro-mahr.tiu.ru/p166201307-profilometr-surftest-210r.html

3. Оптический профилометр WYKO NT 1100. Описание типа [Электронный ресурс ] http://www.all-pribors.ru/opisanie/42997-09-wyko-nt1100-45096

Код для цитирования: Скопировать