Funktionstests von bestückten Leiterplatten mit IR-Temperaturmessung
Immer mehr Entwickler und Hersteller von elektronischen Bauelementen und Leiterplatten setzen aufgrund der stetig höher werdenden Leistungsfähigkeit ihrer Bauteile auf berührungslose Temperaturmessung. Durch den Einsatz moderner Infrarot-Temperaturmessgeräte lässt sich das thermische Verhalten in kurzer Zeit erfassen und das Bauelement wenn nötig optimieren.
Bei feinen thermischen Untersuchungen an elektronischen Bauteilen, wie Leiterplatten, Platinen usw., werden in der Regel Wärmebildkameras eingesetzt. Diese eignen sich insbesondere für alle Flächenmessungen, bei denen nicht nur ein kritisches Element existiert oder dieses nicht klar lokalisiert werden kann. Durch das entstehende Wärmebild können Schwachstellen der Bauteile, die häufig in Form von Cold- oder Hotspots sichtbar werden, problemlos identifiziert und anschließend behoben werden.
Mit Hilfe von Infrarotkameras ist eine detaillierte Echtzeit-Analyse des thermischen Verhaltens von bestückten Leiterplatten, sowohl im Forschungs- und Entwicklungs-Bereich als auch in der Serienproduktion möglich. Die standardisierte USB 2.0-Schnittstelle erlaubt dabei Videoaufzeichnungen von bis zu 128 Hz. Das erweist sich als besonders vorteilhaft, wenn thermische Vorgänge, die nur kurzzeitig auftauchen, später in Zeitlupe analysiert werden müssen. Die einzelnen Wärmebilder können dann nachträglich aus einer solchen Videosequenz mit voller geometrischer und thermischer Auflösung gewonnen und analysiert werden.
Bestückte Leiterplatte, aufgenommen mit der Wärmebildkamera optris PI160
The analysis takes places via efficient software which offers any measure points and user defined rectangles. Die einzelnen Wärmebilder können dann nachträglich aus einer solchen Videosequenz mit voller geometrischer und thermischer Auflösung gewonnen und analysiert werden. Neben der Aufnahmefunktion bietet die Software auch die Möglichkeit, zur Dokumentation Schnappschüsse aufzunehmen und zu speichern. Die Adaptierbarkeit der Kamerasoftware an industrielle Steuerungen gehört dabei zum Standard.
Die Wärmebildkamera optris PI160 besteht aus 160 x 120 bzw. 19.200 miniaturisierten Einzeldetektoren als Matrix auf einem Chip (Focal Plane Array, FPA). Dieser ungekühlte Mikrobolometer-FPA-Detektor ist die bildgesteuerte Komponente.
Bolometer sind eine Untergruppe der thermischen Detektoren. Sie zeichnen sich durch die Temperaturbeständigkeit ihres elektrischen Widerstands aus. Bei der Absorption von Wärmestrahlung durch das empfindliche Element führt die Widerstandsänderung zu einer Änderung der abfallenden Signalspannung über den Bolometerwiderstand. Ein schneller 14-Bit-A/D-Wandler digitalisiert das erhöhte und serialisierte Videosignal. Eine digitale Signalverarbeitung errechnet für jedes Pixel eine Temperatur und erzeugt in Echtzeit das bekannte Falschfarbenbild.
Eine Anpassung an unterschiedliche Messabstände und Messgrößen wird durch die Kombination des Mikrobolometer-FPA-Detektors und der Hochleistungsoptik erreicht. Thermische Prozesse sehr kleiner Objekte ab 50 μm Größe, wie man sie z.B. im Funktionstest von kleinsten SMD-Bauelementen findet, sind auf dem Detektor bereits darstellbar. Ab einer Größe von 0,5 mm sind die Elemente in ihrer Temperatur exakt messbar. Die hervorragende thermische Empfindlichkeit der Wärmebildkameras von bis zu 0,04 K ermöglicht dabei die Darstellung feinster Temperaturunterschiede.
Es muss nicht immer eine Infrarotkamera sein
Unter Umständen ist, wegen der hohen Produktionsstückzahlen und der Zahl der Prüf- und Testplätze, ein Einsatz von Wärmebildkameras an mehreren Stationen zu teuer oder der Aufwand für Umsetzungen zwischen den Plätzen zu hoch. Dann bietet sich zur Serienüberwachung von kritischen Bauelementen in Produktionsanlagen die Temperaturüberwachung mit Infrarot-Thermometern an. Dabei werden kritische Bauelemente, die bei einer Serienfertigung in Bezug auf den Messort (Position auf der Leiterplatte) immer wieder reproduzierbar platziert werden können, mit einem Pyrometer – zum Beispiel mit dem Pyrometer optris CT LT – erfasst und die Temperaturmessung der Prüfplatzroutine zur Entscheidungsfindung zugeführt.
Miniaturisiertes IR-Thermometer für die permanente Kontrolle
Moderne Fertigungstechniken ermöglichen nicht nur Preissenkungen im Produktionsprozess, sondern etablieren auch immer häufiger den Vielfacheinsatz von Infrarot-Thermometern in Anlagen. Für Anwendungen wie die Qualitätskontrolle von bestückten Leiterplatten werden in der Praxis die miniaturisierten Infrarotsensoren optris CT LT eingesetzt. Sie zählen zu den weltweit kleinsten messenden IR-Temperatursensoren mit linearem Ausgang über den gesamten Temperaturbereich von -50 bis 975 °C.
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Der kleine Temperatursensor besteht aus einem Miniatur-Messkopf (14 mm x 28 mm) und einer separaten Elektronikbox. Die geringe Größe des Infrarot-Sensorkopfes gestattet den Einbau auch bei beengten Platzverhältnissen und ist somit besonders für Teststationen geeignet, bei denen bisher aus Platzgründen auf den Einsatz berührungslos messender Temperatursensoren verzichtet werden musste.
Der Sensorkopf mit Edelstahlgehäuse (IP65) ist robust und für den Einsatz bei Umgebungstemperaturen bis 180 °C ohne die sonst übliche Kühlung einsetzbar. Eine fein auflösende Optik mit einem Distanz-zu-Messfleck-Verhältnis von 22:1 gestattet die Wahl des Einbauortes am Testplatz variabel. Neuartig ist die Möglichkeit, mittels einer kleinen Vorsatzoptik auch kleinste Messflecken von bis zu 0,6 mm zu erfassen.
Die Auswerteelektronik (IP65) ermöglicht eine Vielzahl von Signalverarbeitungsverfahren. Das gemessene Temperatursignal von der Leiterplatte wird dabei mittels linearem 0-20 mA, 4-20 mA, 0-10 V oder Thermoelement-Ausgang dem Anwender zur Verfügung gestellt. Ein eingebautes Bedienpanel mit LCD-Anzeige erlaubt sowohl die Wahl der Signalverarbeitungsverfahren als auch die Parametereinstellungen am Einbauort. Die Programmierung kann zudem über die eingebaute USB- oder RS232-Schnittstelle mit Hilfe eines PC oder Laptop-PC erfolgen. Zur Einbindung in bestehende Anlagen stehen adressierbare RS485-Schnittstellen oder CAN-Bus, Profibus DP, Ethernet und Alarm Relais zur Verfügung.
