IR-Mikroskope

Die zunehmende Integrationsdichte moderner elektronischer Baugruppen führt dazu, dass die Wärmeentwicklung durch Verlustleistung kontinuierlich zunimmt. Gleichzeitig schreitet die Miniaturisierung elektronischer Komponenten voran, wodurch die Wärmeabfuhr erschwert werden kann. Insbesondere in der Antriebstechnik kommen dank moderner Leistungselektronik zunehmend Anwendungen mit höheren Stromstärken zum Einsatz.

Die Lebensdauer von Halbleiterbauelementen hängt maßgeblich von ihrer Betriebstemperatur ab. Bereits ein Temperaturanstieg um 10 °C kann die Lebensdauer um 50 % reduzieren. Entwickler elektronischer Baugruppen stehen daher vor der Herausforderung, das thermische Verhalten von Leiterplatten und elektronischen Komponenten frühzeitig zu berücksichtigen. Die Infrarottechnologie bietet eine besonders geeignete Möglichkeit, die Temperaturen von Halbleitern, Leiterplatten und kompletten elektronischen Baugruppen zu messen. Sie ermöglicht schnelle, präzise und berührungslose Messungen, was insbesondere in der Elektronikfertigung von großer Bedeutung ist. Dabei ist es wichtig, Temperaturunterschiede auf der Leiterplatte zuverlässig zu erkennen. Für genaue Messergebnisse sollten die Messungen möglichst an Oberflächen mit hohem Emissionsgrad erfolgen, beispielsweise an Teflon, Polyimid, Glasfaser oder Keramik, anstatt an metallischen Oberflächen, die Infrarotstrahlung stark reflektieren.

Überhöhte Temperaturen können verschiedene Ursachen haben, darunter defekte Bauteile, falsch dimensionierte Leiterbahnen oder fehlerhafte Lötstellen. Um die Temperaturen kleinster Bauteile und Strukturen auf einer Leiterplatte präzise zu erfassen, sind hochauflösende Infrarotkameras mit speziellen Mikroskopoptiken erforderlich. Mit der passenden Kombination aus Kamera und Optik lässt sich deutlich erkennen, welche Komponenten auf einer Leiterplatte ihre zulässige Betriebstemperatur überschreiten.

Die Wärmebildmikroskope von Optris eröffnen Analysemöglichkeiten, die herkömmliche Wärmebildkameras und optische Mikroskope nicht bieten können. Durch die Kombination aus hochauflösenden, ungekühlten Infrarotdetektoren und präzisen Mikroskopoptiken lassen sich Strukturen im Bereich weniger Mikrometer erfassen und gleichzeitig kalibrierte, radiometrische Temperaturdaten gewinnen. Jeder einzelne Bildpunkt fungiert dabei praktisch als Infrarotthermometer. So werden selbst kleinste Lötstellen, Halbleiterstrukturen und mikromechanische Bauteile nicht nur als unscharfe Hotspots dargestellt, sondern anhand detaillierter Temperaturverteilungen sichtbar gemacht.

Ebenso wichtig ist es, zu wissen, ab welcher Größe eine Wärmebildkamera die Temperatur eines kleinen Bauteils zuverlässig messen kann. Nur weil auf einem Wärmebild beispielsweise der Anschluss eines integrierten Schaltkreises erkennbar ist, bedeutet dies nicht automatisch, dass dessen Temperatur präzise bestimmt werden kann. In der Infrarotmesstechnik wird häufig die Pixelgröße herangezogen, um das Auflösungsvermögen einer Wärmebildkamera oder eines Wärmebildmikroskops zu beschreiben. Ein einzelner Bildpunkt kann jedoch nicht die gesamte Wärmestrahlung einer Oberfläche erfassen, die genau seiner Pixelgröße entspricht. Dadurch kann eine zu niedrige Temperatur angezeigt werden. Für eine genaue Temperaturmessung gemäß den Spezifikationen der Wärmebildkamera ist in der Regel eine Messfläche von mindestens 3 × 3 Pixeln auf dem Messobjekt erforderlich. Gerade bei elektronischen Komponenten, bei denen die Temperatur häufig eine entscheidende Rolle spielt, sollte daher nicht ausschließlich die Pixelgröße berücksichtigt werden. Der entscheidende Parameter ist das Measurement Field of View (MFOV), das die Mindestgröße eines Messobjekts definiert, dessen Temperatur zuverlässig und präzise erfasst werden kann.

Für Labore in der Elektronik-, Halbleiter- und Materialforschung bedeutet dies präzisere Ergebnisse in kürzerer Zeit. Lokale Hotspots auf integrierten Schaltkreisen, Leistungshalbleitern und Leiterplatten lassen sich unter realistischen Betriebsbedingungen gezielt lokalisieren, vergleichen und dokumentieren. Selbst geringe Temperaturgradienten im Bereich von Bonddrähten, Durchkontaktierungen oder Mikrorissen werden sichtbar. Dies unterstützt die Validierung elektronischer Designs, die Fehleranalyse und die Überprüfung thermischer Simulationsmodelle. Da die Wärmebildmikroskope berührungslos arbeiten, bleiben empfindliche Strukturen während der gesamten Untersuchung unbeschädigt und unbeeinflusst.

Infrarotkameras werden bislang vor allem zur Designvalidierung eingesetzt. Gleichzeitig wird daran geforscht, Wärmebildkameras von Optris auch direkt in den Produktionsprozess beim Reflow-Löten zu integrieren. Ziel ist es, die Temperaturen der Leiterplatten und ihrer Bauteile während des Durchlaufs durch den Reflow-Ofen zu überprüfen. Hierzu wird die Software Optris PIX Connect im Zeilenscan-Modus eingesetzt, um Temperaturdaten entlang einer einzelnen Messlinie durch einen schmalen Schlitz im Ofen zu erfassen. Aus diesen Messdaten erzeugt die Software ein vollständiges Wärmebild der Leiterplatte. Dabei wird die Bewegung der Leiterplatte durch das Sichtfeld der Wärmebildkamera genutzt, um die zweite Bilddimension zu rekonstruieren. Diese und ähnliche Forschungsansätze sollen die Einsatzmöglichkeiten der Infrarot-Wärmebildtechnik in der Elektronikindustrie weiter ausbauen.