红外线相机在电子产品开发中的应用

最小部件的温度测量

在过去的几年里，电子产品的发展有一个明显的趋势：包装密度正在增加。今天，现代智能手机比几年前要强大得多，但它们的体积却并不大。这同样适用于IT设备、汽车电子和消费电子。因此，必须非常谨慎地关注由加热引起的问题。现代红外测量技术是这方面的一个重要助手。

早在1965年，戈登-摩尔就提出了今天普遍称为摩尔定律的经验法则，即半导体设备的集成密度将每18个月翻一番。由此产生的不断增长的半导体功率是现代信息技术和数字化发展的基础，这些技术几乎主导了我们今天日常生活的每个领域。

功率损失产生热量

然而，不断增加的集成密度意味着组件中的功率损失所产生的热量一直在增加。这里的另一个因素是持续的小型化，这可能阻碍有效的散热。由于电力电子技术的使用，即使是承载相对较大电流的应用也变得越来越普遍–例如在驱动技术中。半导体元件的寿命在很大程度上取决于温度。温度上升10℃将导致寿命减少50%。这意味着电子组件的开发者面临着允许电路板和组件的热行为的挑战。

在红外技术的帮助下，半导体、印刷电路板或整个组件的温度被理想地测量。测量过程是快速、精确和非接触的–这在电子制造业中是一个特别重要的考虑。在测量时，应进行检查，看看电路板到底在什么地方显示哪些温度。造成温度过高的原因可能是多方面的：有缺陷的元件、尺寸不正确的电路路径或焊接不良的接头。为了正确记录电路板上非常小的元件和结构的温度，需要一个具有适当高的分辨率的红外摄像机。例如，你可以准确识别电路板上的哪个部件显示出过高的温度。

红外线相机被用于电子产品开发的各个阶段。通常情况下，印刷电路板上的温度是使用热模型计算提前模拟的。在测量原型时，这些模型的计算结果就可以得到验证。如果出现任何差异，在测量过程中收集的数据可以反过来被纳入模拟，以改善模型。在测量原型时，可以确定消耗过多能量的部件。这使得电路设计中的错误能够在早期阶段被发现。电路板上的元件的相互干扰也可以被检测出来。

在生产中，经常使用来自外部供应商的组件。为了对这些组件进行进货质量控制，这里还采用了红外测量技术。这种控制可以对所有项目进行，也可以通过随机抽样的方式进行。红外相机也被用于最终检查，作为成品装配或电路板质量保证的一部分。例如，这使得有问题的部件或组件能够在预烧测试中被识别出来。

选择正确的红外摄像机

一个图像传感器的像素越多，可能的分辨率就越高。然而，由于单个螺栓仪随着像素数的增加而变小，每个像素的热辐射也就更低。由于这个原因，较小的像素需要更高的检测率，以达到相同的温度分辨率。这对热隔离、温度系数以及传感器表面的有效利用提出了非常高的要求。在实践中，为了在更长的时间段内整合图像信号，使用了较低的帧率。一般来说，人们发现，像素数、帧率和温度分辨率不能独立增加。

镜头的影响

与照片或录像机一样，图像传感器（或其像素数）并不完全负责高质量图像。镜头起着同样重要的作用。红外线摄像机的镜头通常具有很高的发光度。为了尽可能多地利用热辐射，同时不受大气影响，所有工作都在8微米至14微米的光谱范围内进行。然而，在这里，你已经进入了像素尺寸范围，因此，在非常小的物体只有3×3像素的情况下，例如，测量的温度往往太低。为了可靠地识别温度，系统的测量精度也需要为小物体提供。否则，就纯粹的像素数量而言，高分辨率并没有什么用。除了确定哪个是最小的可辨认的结构外，还有一个重要的问题，即为了可靠地确定一个物体的温度，在拍摄时需要有最小的尺寸。

如果分辨率被限制在低数量的小像素上，那么在标准尺寸的视野中可以利用较小的短焦距镜头。这些产品更具成本效益，但其缺点是较小的光圈能让光线更少。反过来，这也需要通过相应的更敏感的传感器来补偿。热像仪的视野也取决于所选镜头，范围从6°到90°。照相机和物体之间的距离越远，捕获的图像区域就越大，因此，单个像素所能显示的图像细节就越多。因此，测量设备的光学分辨率必须根据测量对象的大小和它与传感器之间的距离来选择。综上所述，可以说热像仪的镜头和传感器需要适合手头的测量任务，同时在质量上也要匹配，以便获得既具有良好的热分辨率又具有几何分辨率的热图像。

optris PI 450i 和PI 640i 红外热像仪非常适用于电子组件的测量。它们的探测器尺寸为382 x 288像素（PI 450）和640 x 480像素（PI 640i）。利用可交换和可聚焦的显微镜镜头[图片2：显微镜镜头]，你也可以捕捉到电路板上非常小的元件或结构。 PI 450i 的最小测量点直径为42微米，PI 640i的测量点直径小至28微米。温度的测量精度为±2 °C。由于最大可能的帧率为125赫兹，快速过程也可以被显示出来。两台红外摄像机都能拍摄图片和视频，可以用免授权的分析软件进行分析。