DD124326B1

DD124326B1 - Arrangement for measuring the surface roughness of non-ferrous metals

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Publication number: DD124326B1
Authority: DD
Publication date: 1980-12-24

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung der Oberflächenrauhigkeit von KS-Metallen, insbesondere elektrolytisch abgeschiedener Kupferniederschläge.The invention relates to an arrangement for measuring the surface roughness of KS metals, in particular electrolytically deposited copper precipitates.

Bekannt geworden sind eine Vielzahl von Rauhigkeitsmeßgeräten auf der Grundlage von optischen, mechanischen, elektrischen und pneumatischen Oberflächenmeßverfahren sowie Abdruck- und" Immers ionsverfahren·A multiplicity of roughness measuring instruments based on optical, mechanical, electrical and pneumatic surface measuring methods as well as impression and immersion methods have become known.

Nachteil der optischen, mechanischen und pneumatischen Verfahren ist, daß zur Durchführung der Messung umfangreiche Vorarbeiten notwendig sind und der Prüfling meist in eine feste Halterung eingespannt werden muß. Das bedeutet, daß diese Verfahren für schnelle Betriebsmessungen und für große Prüfstücke ungeeignet sind. Bei den Abdruck- oder Immersionsverfahren wird von der Oberfläche eine Kopie angefertigt,, die dann weiter nach einem optischen, mechanischen oder pneumatischen Verfahren ausgemessen werden kann.Disadvantage of the optical, mechanical and pneumatic methods is that extensive preliminary work is necessary to carry out the measurement and the test object usually has to be clamped in a fixed holder. This means that these methods are unsuitable for fast operational measurements and for large test pieces. In the impression or immersion process, a copy of the surface is made, which can then be measured by an optical, mechanical or pneumatic method.

Als elektrisches Verfahren ist das Kondensatorverfahren bekannt geworden. Hierbei wird eine flächenförmige Meßelektrode mit einem bekannten Dielektrikum als Zwischenschicht auf den Prüfling aufgesetzt· Die Kapazität des Kondensators, den beide Flächen gegeneinander bilden, berechnet man nachAs an electrical method, the capacitor method has become known. Here, a sheet-like measuring electrode is placed with a known dielectric as an intermediate layer on the specimen · The capacity of the capacitor, which form both surfaces against each other, is calculated according to

о« e с · ε ·о « e с · ε ·

wobei A - die Fläche der Meßelektrode undwhere A - the area of the measuring electrode and

d - der Abstand zwischen Meßelektrode und Prüfling sind·d - the distance between the measuring electrode and the test object is ·

Weist der Prüfling eine Oberflächenrauhigkeit auf, dann· wird d der mittlere Abstand zwischen beiden Elektroden. Dieser mittlere Abstand ist definitionsgemäß gleich der Glättungstiefe Ep als mittlerer Abstand zwischen Oberflächenprofil und Hüllini* (bzw* Hüllfläche)· Allerdings bleibt hierbei der Einfluß des Flächeninhaltes der wirksamen Elektrodenfläche noch ungeklärt. Bei Vorhandensein einer Rauhigkeit des Prüflings ist bekanntlich die wirkliche Oberfläche nicht mehr gleich der geometrischen Fläche zu setzen. Da sich der Flächeninhalt der wirklichen Fläche, abhängig von der Profilform, mit zunehmender Rauhigkeit ebenfalls vergrößert, ist dieses Verfahren nicht anwendbar.If the test specimen has a surface roughness, then d becomes the mean distance between both electrodes. By definition, this mean distance is equal to the smoothing depth Ep as the mean distance between the surface profile and the envelope * (or * envelope surface). However, the influence of the surface area of the effective electrode surface remains unclear. In the presence of a roughness of the specimen is known to set the real surface no longer equal to the geometric surface. Since the surface area of the actual surface, depending on the profile shape, also increases with increasing roughness, this method is not applicable.

Bekannt ist auch das Wirbelstromverfahren zur Messung von Schichtdicken, dabei wird eine Meßspule, die einen ganz bestimmten Scheinwiderstand Zt = Rj+ JwLt (L = luft) besitzt, von einem Wechselstrom durchflossen. Wird die Meßspule auf ein elektrisch leitendes Material aufgesetzt, so werden in derem Inneren Wirbelströme erzeugt. Diese Wirbelströme sind abhängig von der Frequenz des primären Wechselstromes, v^n der spezifischen Leitfähigkeit, der relativen Permeabilität und der Dicke des Probematerials «nd vom Spulenabstand zum Probematerial· Die Wirbelströme ihrerseits erzeugen ein sekundäres magnetisches Wechselfeld, welches auf die Meßspule zurückwirkt und somit die elektrischen Eigenschaften der Meßspule ändert. Die Größe der Rückwirkung ist noch einmal afohöngig vom Spulenabstand. Die änderung der elektrischen Eigen-» schäften der Meßspule äußert sich in einer Änderung ihres Scheinwiderstandes, dieser wird jetzt Z^f « R^ + JwL^₁ (^M й leitfähiges Material). Günstig ist hierbei, daß die obengenannten Faktoren, die die Ausbildung der Wirbelstrbme beeinflussen, jeweils eine andere, ihr spezifische Änderung des Scheinwiderstandes zur Folge haben· Man kann аіво in der Scheinwiderstandsebene Ortskurven konstruieren, die die Materialeigenschaften und den Spulenabstand als Parameter besitzen·Also known is the eddy current method for measuring layer thicknesses, while a measuring coil, which has a very specific impedance Zt = Rj + JwLt (L = air), flows through an alternating current. If the measuring coil is placed on an electrically conductive material, so eddy currents are generated in the interior. These eddy currents are dependent on the frequency of the primary alternating current, the specific conductivity, the relative permeability and the thickness of the sample material and the coil distance to the sample material. The eddy currents in turn generate a secondary alternating magnetic field, which acts on the measuring coil and thus the electrical properties of the measuring coil changes. The size of the reaction is afohöngig again from the coil spacing. The change in the electrical properties of the measuring coil manifests itself in a change in its impedance, which now becomes Z ^ f «R ^ + JwL ^ ₁ (^ M й conductive material). In this case, it is favorable that the abovementioned factors influencing the formation of the turbulent currents each result in a different, specific change of the impedance. It is possible to construct loci in the impedance plane which have the material properties and the coil spacing as parameters.

Will man nur eine der angeführten Materialeigenschaften messen, dann müssen die Komponenten der restlichen in geeigneter Wjiise kompensiert werden·If one wants to measure only one of the listed material properties, then the components of the rest have to be compensated in suitable ways.

Rauhigkeitsmessungen sind mit diesem Verfahren bislang noch nicht beschrieben oder ausgeführt worden, im Gegenteil, die Rauhigkeit des Materials wird als Störgröße angegeben.Roughness measurements have not yet been described or carried out with this method, on the contrary, the roughness of the material is given as a disturbance variable.

Zweck dei» Erfindung ist eine Anordnung, welche es gestattet, einfach und sicher Oberflächenrauhigkeiten von HE-Metalleü, insbesondere elektrolytisch abgeschiedener Kupferniederschläge, zu messen«The purpose of the invention is an arrangement which makes it possible to easily and reliably measure surface roughness of HE metals, in particular electrolytically deposited copper deposits.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen» die es ermöglicht, auch große Oberflächenrauhigkeiten großer aus ВДЗ-Metallen bestehender Prüflinge ohne umfangreiche Vorarbeiten zur Durchführung der Messungen sowie unter Verzicht des Einspannens der Prüflinge in Halterungen zu bestimmen, wobei das 'Rauheitsmaß tiefe Risse und deren Häufigkeit berücksichtigt·The invention has for its object to provide an arrangement »which makes it possible to determine even large surface roughness of large existing of VBD metals samples without extensive preparatory work to perform the measurements and waiving the clamping of the specimens in brackets, the 'Rauheitsmaß deep Cracks and their frequency considered ·

Es wurde überraschenderweise gefunden, daß es möglich ist, mit Hilfe von Wirbeletrömen die Oberflächenrauhigkeit von HS-Metallen zu messen· Dabei ist von folgenden Überlegungen ausgegangen word entIt has surprisingly been found that it is possible to measure with the help of eddy currents, the surface roughness of HS metals · It is based on the following considerations word ent

MiBt man zusätzlich die Scheinwiderstände für verschiedene Rauhigkeiten, so ergibt sich eine Punkteschar, die in der Scheinwiderstands ebene zwischen der Abstandskomponente a und der beitiShigkeitskomponente K liegt. Daraus wurde geschlußfolgert, daß sich der Rauhigkeitseinfluß aus einer Abstandskomponente und einer Leitfähigkeitskomponente zusammensetzt» Zur Abstandskomponente kommt es dadurch, daß die Meß spule, indem, sie auf mindestens drei der höchsten Punkte aufsitzt, der rauhen Metalloberfläche eine Hüllfläche bildet·If one additionally measures the impedances for different roughnesses, the result is a set of points which lies in the impedance layer between the distance component a and the component K of function . From this it was concluded that the influence of roughness consists of a distance component and a conductivity component. "The distance component arises from the fact that the measuring coil forms an enveloping surface on the rough metal surface by being seated on at least three of the highest points.

Durch Integrationswirkung erhält man nun ähnlich der GlättungstiefeDue to the integration effect you now get similar to the smoothing depth

ί/ί /

Rp s j I y_tdxRp s j I y _t dx

den mittleren Abstand zwischen der Meßspule und der unter ihr liegenden Metalloherfläche ein Rauheitsmaß, das als elektrische G-lättungs tiefe Bp * bezeichnet werden soll· Die Leitfähigkeitskomponente hat folgende Ursache: Bei sehr kleinen Eindringtiefen der Wirbelströme (abhängig von der MeBfrequenz) kommt es an der Metalloberfläche aufgrund der Rauhigkeit zu Störungen der Wirbelstromausbildung und damit zu einer Vergrößerung des elektrischen Widerstandes, was sich wiederum in einer Verkleinerung der Leitfähigkeit ausdrückt· Die Xeitfähigkeitskomponente kann mit bereits bekannten magnetinduktiven Leitfähigkeitsmeßgeräten ermittelt werden, da hierbei die Abstandskomponente weitgehend unter=· drückt wird·the mean distance between the measuring coil and the underlying metal surface is a roughness measure which should be referred to as electrical low-G L * deep Bp * The conductivity component has the following reason: With very small penetration depths of the eddy currents (depending on the measurement frequency) it depends on the Metal surface due to the roughness to disturb eddy current formation and thus to an increase of the electrical resistance, which in turn expresses in a reduction of the conductivity · The Xeitfähigkeitskomponente can be determined with already known magnetic-inductive conductivity meters, since in this case the distance component is largely under = · suppressed ·

PUr die Abstand skomponente, der die elektrische Glättungstiefe Rp* gleichzusetzen ist, wurde nun ein Meßgerät entwickelt, welches einen breiteren Bereich der Leitfähigkeitskompensation besitzen muß, da die Leitfähigkeitskomponente für große Rauhigkeiten bis auf (10 ... 20 ^) des Hormalwertes absinken kann·The distance component, which equates to the electrical smoothing depth Rp *, has now been developed as a measuring device which must have a wider range of conductivity compensation, since the conductivity component for large roughnesses can fall as far as (10... 20) of the hormonal value.

Pur die verwendete Meßspule wurde die Frequenz auf 1 MHa festgelegt· Hierbei kann gleichzeitig der DickeneinfluS des · materials vernachlässigt werden, da bei hohen Frequenzen die Eindringtiefe der Wirbelströme sehr klein wird. Sie beträgt bei 1 MHz materialabhängig ca· (30 .·· 200) pm* Pur die Mindest· dicke des Prüflings rechnet man dann etwa den zehnfachen Wert· Der Einfluß der relativen Permeabilität verschwindet ohnehin für alle KE-Metalle. Es bleibt vorerst lediglich ein kleiner Leltfählgkeitsonteil.For the measuring coil used, the frequency was set to 1 MHa. At the same time, the thickness influence of the material can be neglected, since at high frequencies the penetration depth of the eddy currents becomes very small. Depending on the material, it amounts to approx. (30 ·· 200) pm at 1 MHz. The minimum thickness of the test object is then calculated to be approximately ten times the value. The influence of the relative permeability disappears anyway for all KE metals. It remains for now only a small Leltfählgkeitsonteil.

In Abweichung au den üblicherweise verwendeten Meßanordnungen, wo die Scheinwiderstandsänderung der Meßspule mit Hilfe einer Meßbrücke ermittelt wird, ist erfindungsgemäß eine andere Methode angewendet werden· Da die Änderung der Blindkomponente des Scheinwiderstandes, was einer Induktivitätsänderung der Meßspule gleichkommt, bereits eine ausreichende Aussage bringt, wurde das Prinzip des Oszillators ausgewählt, bei dem die Meßspule Seil des Schwingkreises ist* Die Frequenz liegt nach der BeziehungIn deviation from the commonly used measuring arrangements, where the impedance change of the measuring coil is determined by means of a measuring bridge, another method is used according to the invention · Since the change in the reactive component of the impedance, which equals a change in inductance of the measuring coil, already provides sufficient information was selected the principle of the oscillator, where the measuring coil rope of the resonant circuit is * The frequency is based on the relationship

fest und kann einfach mit einem Digitalaähler auf ί 1 Hz genau gemessen werden·fixed and can be easily measured with a digital counter to ί 1 Hz

Als Oszillator wurde ein Clapp-Oszillator gewählt, der so eingestellt ist, daß bei glatter Oberfläche Rp***Ou (Vergleichsprobe) die Frequenz genau 1 MHz beträgt· Wird nun die Meßspule auf eine rauhe Probe aufgesetzt, so vergrößert sich ihre Induktivität entsprechend der Rauhigkeitskomponente in der Scheinwiderstandsebene, und die angezeigte Srequenz wird kleiner sein* Mit Hilfe des Rückkoppelnetzwerkes kann erreicht werden, daß die Wirkkomponente der Meßspule als Teil des Schwingkreises ebenfalls eine Frequenzänderung bewirkt· Dieser Effekt, der bei Oszillatoren eigentlich unerwünscht ist, wurde hier durch geeignete Wahl des Rückkoppelfaktors zur Kompensation des Leitfähigkeitseffektes ausgenutzt· Die Verkleinerung der Frequenz durch den Blindanteil der Leitfähigkeitskomponente wird infolge Frequenzerhöhung durch den Wirkanteil der beitfähigkeitskomponente wieder aufgehoben, so daß nur noch die Abstandkomponente/ und damit die elektrische Glättungstlefe zur Anzeige kommen·As an oscillator, a clap oscillator was chosen, which is adjusted so that the surface is exactly 1 MHz when the surface is Rp *** Ou (comparative sample). If the measuring coil is then placed on a rough sample, its inductance increases correspondingly to that Roughness component in the impedance level, and the displayed frequency will be smaller * With the help of the feedback network can be achieved that the active component of the measuring coil as part of the resonant circuit also causes a frequency change · This effect, which is actually undesirable in oscillators, was here by a suitable choice The reduction of the frequency by the reactive component of the conductivity component is canceled due to increase in frequency by the active component of the beitfähigkeitskomponente again, so that only the distance component / and thus the electrical smoothing pitch to the display come ·

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung gegenüber bekannten Verfahren liegen darin, daß die Messung der Qberflächenrauhigkeit (elektrische Glättungstiefe Rp*) von HB-Metallen nach der Wirbelstrommethode schnell und sicher, ohne besonder« Vorbereitungen, im Betrieb möglich ist. Außerdem ist die VorrichtungThe advantages of the solution according to the invention over known methods are that the measurement of the surface roughness (electrical smoothing depth Rp *) of HB metals by the eddy current method is possible quickly and safely without special preparations during operation. In addition, the device

ale Schichtdickenmeßgerät für nichtleitende Schichten auf NE-Metallen anwendbar· In beiden Fällen macht die Art des Probematerials keine besondere Kalibrierung erforderlich.ale Coating Thickness Gauge applicable to non-conductive layers on non-ferrous metals · In both cases the type of sample material does not require any special calibration.

Die Erfindung soll nachstehend an drei Auaführungsbeispielen näher erläutert werden·The invention will be explained in more detail below with reference to three exemplary embodiments.

Die zugehörigen Zeichnungen zeigen»*The accompanying drawings show »*

Pig· 1* Ortskurven des Scheinwiderstandes der Meßspule beiPig · 1 * loci of the impedance of the measuring coil

konstanter Frequenz des primären Wechselstromes; Pig· 2: Yeranschaullchung zur Pormelconstant frequency of primary alternating current; Pig · 2: Yerana filling to the Pormel

xslxsl

Rp a γ Rp a γ

Üg· 3* Schaltung zur Messung d er * elektrischen GlSttungstiefe durch Anzeige an einem Drehkondensator;Üg * 3 * Circuit for measuring the electric glow depth by display on a rotary capacitor;

Pig· 4» Prinzipschaltbild zur direkten Anzeige der elektrischen Glättungstiefe·Pig · 4 »Block diagram for direct display of the electrical smoothing depth ·

Example 1 (Pig 1 and 2);

Der Scheinwiderstand einer Heßspule für Luft ist Z^ » Rj. + jwl-r 1-flach dem Aufsetzen auf ein HB-Metall wird der Scheinwiderstand der Meßspule für leitfähige Materialien Z_11x я R_x + JwL_11x 2j 2^f; 2"· In der Scheinwiderstandsebene sind die Punkte durch verschiedene Ortskurven, abhängig vom jeweiligen Parameter, miteinander verbunden. Von den Punkten Z 2; 2· ι 2^f · gelangt man mit zunehmendem Abstand a entlang den Abstandsortskurven 3; 3'ί 3¹¹ -zum Punkt Z-P 1 und entsprechend bei abnehmender LeitfShi,^- keit iC entlang den Leitfähigkeitsortskurven 4; 4* J 4*4 Bei zunehmender Rauhigkeit ergibt sich nun, vom jeweiligen Grundmaterial Z 2; 2·; 2*¹ ausgehend, eine gemittelte Ortskurve für die Rauhigkeit 5· Die Meßpunkte 5* für verschiedene Probekörper selbst liegen in der Scheinwiderstandsebene zwischen der Abstandsrichtung und der Leitfähigkeitsrichtung statistisch verteilt, da der jeweilige Meßpunkt durch geometrische Addition der Abstandskomponente 3*^ft und der Leitfähigkeitskomponente 4^tft entsteht und abhängig von der Profilform Abstandseffekt undThe impedance of a Hess coil for air is Z ^ »Rj. + Jwl-r 1-flat when placed on an HB metal is the impedance of the measuring coil for conductive materials Z _11x я R _x + JwL _11x 2j 2 ^f ; 2 "· In the impedance layer, the points are connected to each other by different loci, depending on the respective parameter: From the points Z 2; 2 · ι 2 ^f · one gets along the distance loci 3 with increasing distance a; 3'ί 3 ¹¹ - to point ZP 1 and correspondingly to decreasing conductivity iC along the conductivity loci 4; 4 * J 4 * 4 With increasing roughness, an average locus for the respective base material Z 2; 2 · 2 * ^{1 is given} the roughness 5 · The measuring points 5 * for different specimens themselves are statistically distributed in the impedance layer between the distance ^direction and the conductivity ^direction , since the respective measuring point is formed by geometrical addition of the distance ^component 3 * ^ft and the conductivity ^component 4 ^tft and depending on the profile form distance ^effect and

üeitfähigkeitseffekt unterschiedliche größen Verhältnisse aufweisen kann» Zar Messung der Abstandskomponente 3^tf' als elektrische Glättungstiefe muß nun die beitfähigkeitskomponente 4*** in der bereits angegebenen Weise kompensiert werden, indem die Verkleinerung der Frequenz durch den Blindanteil 4** der LeitfähigkeitBkomponente 4^lft infolge Frequenzerhöhung durch den Wirkanteil 4* der beitfähigkeitskomponente 4^llf wieder aufgehoben wird·The Tsar measurement of the distance component 3 ^tf 'as electrical smoothing depth now the wettability component 4 *** must be compensated in the manner already indicated by the reduction of the frequency by the ^reactive component 4 ** of the conductivity ^component 4 ^lft due to frequency increase is ^canceled again by the effective portion 4 * of the constituency component 4 ^llf

Example 2 fplg «3)

Bei dieser Anordnung wird ein Schwingkreis mit einem Drehkondensator 6 ausgelegt« Dadurch kann die Verstimmung des Oszillators, hervorgerufen durch die Induktivitätsänderung der Meßspttle 7» ^i t Hilfe des Drehkondensators б wieder ausgeglichen, werden· Das heißt, der Drehkondensator б wird so lange verstellt, bis die Frequenz, an einem Frequenzmesser (8) angezeigt, wieder 1 MHz beträgt. Durch Eichung.des Kondensatordrehwinkels auf Rp*-Werte kann so die Ablesung erfolgen.In this arrangement, a resonant circuit is designed with a variable capacitor 6 "Thus, the detuning of the oscillator, caused by the inductance change of the Meßspttle 7» ^ it helped with the variable capacitor б be balanced again, that is, the variable capacitor б is adjusted until the frequency displayed on a frequency meter (8) is again 1 MHz. By calibration of the capacitor rotation angle to Rp * values, the reading can be made.

Beia-Diel 3 Beia-Diel 3 ($tz. ($ Tz. 4)4)

Für diese Anordnung werden zwei Oszillatoren benöti*gt· Ein Keßosaillator 9, dessen Frequenz beim Aufsetzen der Keßspule aof eine glatte Oberfläche (Vergleichsprobe) auf 1 MHz eingestellt wird. Bei einer rauhen Probe bewirkt nun die Induktivitätsänderung entsprechend der Abstandskomponente der Rauhigkeit eine Verkleinerung der Frequenz. Ein zweiter Oszillator 10, dessen Frequenz fest auf 1 MHz eingestellt ist, liefert die Vergleichsfrequenz. Aus beiden Frequenzen wird mit Hilfe, einer HiBchstufe 11 die Differenzfrequenz gebildet. Diese Differenzfrequenz f wird nach der Ausfilterung durch einen Tiefpaß an einem Frequenzmesser 8 angezeigt. Der Frequenzmesser 8 kann näberungsweise durch die BeziehungTwo oscillators are required for this arrangement. A Keßosaillator 9 whose frequency when setting the Keßspule aof a smooth surface (comparative sample) is set to 1 MHz. In a rough sample now causes the inductance change corresponding to the distance component of the roughness a reduction of the frequency. A second oscillator 10 whose frequency is fixed at 1 MHz provides the comparison frequency. From both frequencies, the differential frequency is formed with the aid of a high-frequency stage 11. This difference frequency f is displayed after filtering by a low-pass filter on a frequency meter 8. The frequency meter 8 can be approximated by the relationship

Rp* β кRp * β к

auf Werte der elektrischen Glättungstiefe geeicht werden. calibrated to values of electrical smoothing depth.

Die Auflösung "betrug für die verwendete Meßspule 150 uHThe resolution "was 150 uH for the measuring coil used

j» = 300 Hz^um·j »= 300 Hz ^ ·

Allerdings ist auch eine genaue Eichung mit Abstandslehren möglich.However, an accurate calibration with distance gauges is also possible.

Claims

Patentans-prüehe

1 * Arrangement for measuring the surface roughness of SS metals, in particular electrolytically deposited copper leather impact, according to the eddy current method, characterized in that the measurement frequency analogue by means of a CTapp-Ossillators, the Clapp oscillator is set so that Ъѳі smooth surface of a comparative sample the frequency s is 1 MHz; the Xeitfähigkeitseffektes compensation takes place in that the active component of a measuring coil 0 as part of the resonant circuit by means of Bückkopplungsnetzwerkes also causes a change in frequency and the detuning of the oscillator, caused by inductance changes of the measuring coil (7)> by means of a rotary capacitor (6) whose rotation angle to Glottungstiefenwerte is calibrated, balanced,

Arrangement for measuring the surface roughness of BE metals, in particular electrolytically deposited copper precipitates, according to the eddy current method, characterized in that the DiXferensfrequens from the ixequenz a Meßoszillators (9) and the frequency of a fixed frequency oscillator (10) in a mixing stage (11); , is formed and this is displayed on a frequency meter (8) calibrated on smoothing depth values.

For this 2 sheets of drawings