基于红外无损检测技术的传热学探索

郭智磊

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=0.4μm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分的表层温度更低，对应的热图像亮度也会更暗。

在进行测量时，可以利用掌控加热时长调节热流灌入样品的深度。硅片厚度总体偏薄，所以，加热温度不能过高，加热时间也不能太长，只要在热像仪屏幕上显示出了清楚的影像，就可以停止加热。在测量时，要保证样品表层的清洁，加热器和样品之间也应当有良性的接触。

4 结论

根据理论上的相关运算与实践测试可以看出，在进行实际测量时，最佳缺陷显示度的时间比理论运算得出的时间更长。这是由于在实行一维运算的时候忽视了横向热扩散，也没有关注到辐射热阻与接触热阻，所以运算结果产生了一定偏差。若是以理论运算法得出的最佳加热时间较短，则可以选用瞬时法；如果得出的时间较长，则可以选用稳态法。

参考文献

[1]陈珏.红外无损检测技术的传热学分析[J].红外与毫米波学报，2011（4）：285-288.

[2]陈林，范春利，王为清.红外无损检测的数值模拟及其对比性研究[J].红外与激光工程，2013（9）：2330-2335.