Erhitzte Baugruppen

Erhitzte Baugruppen

Hochauflösende IR-Kameras in der Elektronikentwicklung

Die Lebensdauer von Halbleiterbauelementen ist stark temperaturabhängig. Bei einer Erhöhung der Temperatur um 10°C sinkt die Lebensdauer um ca. 50 Prozent. Entwickler von elektronischen Baugruppen sehen sich dadurch der Herausforderung gegenüber, das thermische Verhalten von Platinen und Baugruppen zu berücksichtigen. Moderne Infrarotmesstechnik ist hier ein wichtiges Hilfsmittel.

Bild 1 | Infrarotanalyse von Bauelementen eines Circuit Board auf einer Fläche von 15x10mm. (Bilder: Optris GmbH)

Die Temperaturen von Halbleitern, bestückten Platinen oder ganzen Baugruppen lassen sich mit Hilfe der Infrarottechnik (IR-Technik) messen. Bei Messungen soll überprüft werden, wo genau eine Leiterplatte welche Temperaturen aufweist. Die Ursachen für zu hohe Temperaturen können dabei vielfältig sein: defekte Bauteile, falsch dimensionierte Leiterbahnen oder schlecht ausgeführte Lötstellen. Um auch die Temperaturen sehr kleiner Bauteile und Strukturen auf einer Leiterplatte sicher zu erfassen, ist eine IR-Kamera mit entsprechend hoher Auflösung notwendig. Mit diesen lässt sich genau bestimmen, welches Bauelement auf einer Leiterplatte zu hohe Temperaturen aufweist.

Verifizierung von Modellen

IR-Kameras kommen in verschiedenen Phasen in der Elektronikentwicklung zum Einsatz. Häufig werden die Temperaturen auf einer bestückten Leiterplatte bereits im Vorfeld mit thermischen Modellrechnungen simuliert. Bei der Messung an Prototypen können diese Modellrechnungen dann verifiziert werden. Treten Abweichungen auf, können die durch die Messung gewonnenen Daten zur Verbesserung der Modelle wieder in die Simulationen einfließen. Bei Messungen an Prototypen lassen sich auch Komponenten identifizieren, die übermäßig viel Energie verbrauchen. Auf diese Weise können Fehler im Schaltungsdesign frühzeitig erkannt werden. Auch die gegenseitige Beeinflussung von Komponenten auf der Leiterlatte lässt sich aufdecken. In der Produktion werden zudem häufig Baugruppen verwendet, die von externen Lieferanten stammen. Um an solchen Baugruppen eine Eingangs-Qualitätskontrolle durchzuführen, wird ebenfalls IR-Messtechnik verwendet. Die Kontrollen können zu 100% oder in Stichproben durchgeführt werden. Auch bei der Endkontrolle im Rahmen der Qualitätssicherung fertiger Baugruppen oder Leiterplatten kommen die Kameras zum Einsatz. So können z.B. während Burn-In-Tests fehlerhafte Bauteile oder Baugruppen identifiziert werden.

IR-Kameras mit Mikroskopoptik

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Bild 2 | Wärmebild eines in Betrieb befindlichen Motherboards (Bild: tomshardware.de (Igor Wallossek))

Um die kleinen Strukturen von Elektronikbaugruppen abbilden zu können, sind daher hochwertige IR-Kameras notwendig. Leistungsfähige Geräte arbeiten meist mit einer Matrix aus miniaturisierten Bolometern, die auf einem Chip zusammengefasst sind. Der Mikrobolometer-FPA-Detektor (Focal Plane Array) kann aus über 2Mio. Pixeln bestehen. Die Bolometer selbst sind 12×12µm bis 35×35µm groß und haben eine Dicke von 0,15µm. Der Widerstand der Bolometer ändert sich, wenn er Wärmestrahlung absorbiert. Auf diese Weise entsteht das Wärmebild mit je einem Temperaturmesswert pro Pixel. Je mehr Pixel ein Bildsensor hat, umso höher ist die mögliche Auflösung. Da aber bei einer größeren Zahl von Pixeln das einzelne Bolometer kleiner wird, ist die pro Pixel ankommende Wärmestrahlung niedriger. Kleinere Pixel müssen daher, um die gleiche Temperaturauflösung zu erreichen, eine deutlich höhere Detektivität haben. Dies stellt hohe Anforderungen an thermische Isolation, Temperaturkoeffizienten sowie effektive Sensorflächenausnutzung. In der Praxis wird eine geringere Bildfrequenz verwendet, um so die Bildsignale länger zu integrieren. Generell lässt sich festhalten, dass die Anzahl der Pixel, Bildfrequenz und Temperaturauflösung nicht unabhängig voneinander gesteigert werden können. Ideal geeignet für die Messungen an elektronischen Baugruppen sind die IR-Kameras PI 450 und PI 640. Sie haben eine Detektorgröße von 382×288 Pixel (PI 450) bzw. 640×480 Pixel (PI 640). Mit der austauschbaren und fokussierbaren Mikroskopoptik erfassen sie auch sehr kleine Bauteile oder Strukturen auf einer Leiterplatte. Der kleinste Messfleckdurchmesser beträgt 42µm bei der PI 450 und 28µm bei der PI 640. Die Temperaturen werden mit einer Messgenauigkeit von ±2°C erfasst. Mit der maximal möglichen Bildfrequenz von 125Hz können auch schnelle Prozesse sichtbar gemacht werden. Beide Kameras nehmen sowohl Bilder als auch Videos auf, die sich mit der lizenzfreien Analysesoftware von Optris auswerten lassen.

 

Thematik: inVISION 2 2018
Ausgabe:
Optris GmbH
www.optris.de

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