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...yi 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