Xi 400 Mikroskopoptik

Die Xi 400 mit Mikroskopoptik ist das leistungsstärkste Infrarotkamerasystem für Leiterplattenanalyse und Temperaturmessung elektrischer Komponenten im erschwinglichen Auflösungsbereich von 382 x 288 Pixeln. Sie kombiniert eine langwellige Infrarotkamera mit einem Mikroskop-Tisch für präzise Fokussierung sowie in Deutschland entwickelte Infrarotoptiken, die speziell für kleine Zielbilder und Messfelder optimiert sind. Dieses leistungsstarke Infrarotkamera-Paket ist in den meisten Märkten zu einem budgetfreundlichen Preis erhältlich.

Kleine Bauteile und Verbindungen sind in der Elektronikindustrie üblich, doch die meisten Infrarotkamerasysteme werden mit Optiken ausgestattet, die für größere Messziele optimiert sind. Unterschiedliche Spezifikationen werden verwendet, um die Infrarotauflösung zu beschreiben, was den Produktvergleich erschwert. Begriffe wie Instantaneous Field of View (IFOV), Milliradiant (mrad), Pixelgröße, Detektor-Pitch und Measurement Field of View (MFOV) werden von verschiedenen Herstellern genutzt, um dieses wichtige Leistungsmerkmal zu spezifizieren. Diese Vielfalt wird teilweise durch die unterschiedlichen Anforderungen in den Anwendungen bestimmt: In manchen Fällen steht die reine Detektion eines Temperaturanstiegs im Vordergrund, in anderen hingegen die genaue Temperaturmessung zur Überprüfung von Bauteilspezifikationen.

Um die Kommunikation der Infrarotkamera-Auflösung zu vereinfachen, sollte man sich auf die „IFOV“-Spezifikation (synonym verwendet für Spotgröße oder Pixelgröße) verlassen, um die Fähigkeit einer Kamera zur Detektion von Temperaturänderungen zu beurteilen. Für die Fähigkeit einer Kamera, Temperaturen innerhalb der angegebenen Messgenauigkeit zu bestimmen, ist das MFOV maßgeblich. Die meisten Hersteller geben das MFOV nicht an. Fragen Sie daher beim Lieferanten nach oder multiplizieren Sie das IFOV mindestens mit dem Faktor drei, um die Fähigkeit einer Kamera zur genauen Temperaturmessung abzuschätzen.

Das Optris Xi 400 Mikroskoppaket wird als überlegene Lösung für Elektronikanwendungen beworben, da es mit Optiken entwickelt wurde, die speziell für diesen Zweck ausgelegt sind und sowohl ein kleines IFOV (80 µm) als auch ein kleines MFOV (240 µm) bieten. Wenn Sie Betriebstemperaturen kleiner Chips verifizieren und diesen wichtigen Unterschied nicht kennen, könnten Sie fälschlicherweise davon ausgehen, dass Ihr Bauteil innerhalb der spezifizierten Temperatur arbeitet, obwohl es tatsächlich zu heiß ist und vorzeitig ausfallen wird. Präzise, berührungslose Infrarot-Temperaturmessungen sind in vielen Anwendungen von großem Wert, aber die Erfassung und Auswertung dieser Daten aus dem Infrarotkamerasystem kann in anderen Umgebungen häufig eine Herausforderung darstellen.

Die Optris Xi 400 bietet über ihre primäre USB-Schnittstelle eine nahtlose Anbindung an den Computer und verfügt über eine beeindruckende Bildrate von 80 Hz. Diese hohe Bildrate ermöglicht die Überwachung schneller thermischer Prozesse, insbesondere im Linienscan-Modus, und stellt eine präzise und zeitnahe Erfassung von Temperaturdaten für dynamische Anwendungen sicher.

Die Optris PIX Connect Software adressiert die Herausforderung der Datenerfassung und -auswertung durch eine „Zeit vs. Temperatur“-Messfunktion, die Daten in benutzerdefinierten Intervallen protokolliert und in .csv-Dateien speichert. Ingenieure, die Vollbilder bevorzugen, können kalibrierte Sequenzdateien oder kalibrierte .tiff-Bilder nutzen, die ebenfalls in benutzerdefinierten Intervallen aufgezeichnet werden. Die „Snapshot Sequence Storage“-Routine unterstützt zudem die Speicherung der kompletten Temperaturmatrix als .csv-Datei in einstellbaren Zeitabständen.

Dank ihrer analogen und digitalen Ausgänge und der Prozess-Schnittstelle ist die Xi 400 Infrarotkamera hervorragend geeignet, um Steuergrößen an Maschinen und Anlagen bereitzustellen. Für Systemintegratoren, die applikationsspezifische Softwarelösungen entwickeln, stehen Software Developer Kits zur Verfügung. Zur Kurzschluss- oder Fehlererkennung erlaubt die Software eine einfache Optimierung der Temperaturdarstellung, sodass selbst geringste Temperaturerhöhungen sichtbar werden. Für anspruchsvollere Anwendungen steht eine Bildsubtraktionsfunktion zur Verfügung, bei der ein Live-Bild (z. B. einer vollständig bestromten Leiterplatte) von einem Bild derselben Leiterplatte mit geringerem Strom abgezogen wird, um Temperaturunterschiede noch deutlicher hervorzuheben.

Die Thermografie-Software optris PIX Connect ist im Lieferumfang enthalten und lizenzfrei. Alle Infrarotkameras werden mit der Thermografie-Software optris PIX Connect ausgeliefert, die speziell für die umfangreiche Dokumentation und Analyse von Wärmebildern entwickelt wurde. Die Windows-basierte PIX Connect Software ermöglicht es Anwendern, die Infrarotkameras an spezifische Anforderungen anzupassen. Sie analysiert Live- und aufgezeichnete Temperaturdaten und löst Alarmsignale für die Prozessintegration aus. Der Schlüssel zur optimalen Nutzung der Optris Infrarotkamera ist eine korrekte Konfiguration. Dazu gehören detaillierte gerätespezifische Einstellungen wie Bildfrequenz, Anpassung des Messbereiches, Einstellungen für die externe Kommunikation sowie USB-/Ethernet-Konfigurationen. Darüber hinaus ermöglicht PIX Connect Firmware-Updates und das Herunterladen von Konfigurationsdateien über das Internet. PIX Connect Optris bietet mehrere verschiedene SDKs für unsere Xi- und PI-Wärmebildkameras an. Abhängig von der verwendeten Plattform, der Infrarotkamera, der Programmiersprache und der Hardwareplattform können unterschiedliche Software-Schnittstellen genutzt werden: SDK Die Optris IRmobile App ermöglicht es Anwendern, ein Optris Infrarot-Pyrometer oder eine Infrarotkamera mit einem Android-Smartphone oder -Tablet einzurichten und in Betrieb zu nehmen. Dieses Tool ist besonders hilfreich bei der Inbetriebnahme und Ausrichtung des Sichtfeldes der Infrarotkamera oder bei der Anpassung der Konfiguration. Die App analysiert den Live-Infrarotbildstrom der angeschlossenen Infrarotkamera mit automatischer Heiß- und Kaltpunkt-Erkennung. Für Pyrometer wird ein Temperatur-Zeit-Diagramm oder das Videosignal angezeigt. Diese App funktioniert auf den meisten Android-Geräten mit Version 5.0+ mit einem USB-Anschluss, der USB-OTG (On The Go) unterstützt. Google Play

Ich schätze die Bildschärfe bei kleinen Bauteilen und die Möglichkeit, Bereiche auf der Leiterplatte genauer als 250 µm zu messen. Meine Leiterplatte ist jedoch deutlich größer als 30 mm, und ich wünsche mir eine Optik, die sowohl eine kleine Spotgröße als auch ein großes Sichtfeld bietet. Können Sie so etwas liefern?

Optris bietet ein Kamerapaket (PI 640i Mikroskop-Paket, Link), das eine hochauflösende IR-Kamera umfasst, die mit Weitwinkeloptiken oder Mikroskopoptiken kombiniert werden kann. Der Anwender kann zwischen den Optiken wechseln, und die PIX Connect Software unterstützt Kalibrierdateien für beide Optiken. Die Xi 400 ist mit einer festen Optik ausgestattet, die vor Ort nicht gewechselt werden kann. Einige Kunden erwerben zwei Xi 400 Kameras mit unterschiedlichen Optiken, um sowohl mikroskopische Messungen als auch die vollständige thermische Analyse von Leiterplatten durchzuführen.

Warum ist die MFOV-Spezifikation (Measurement Field of View) auf den meisten Infrarotkamera-Webseiten schwer zu finden?

Manche Hersteller sind sich nicht bewusst, wie sich Einzelpixelmessungen auf die Messgenauigkeit ihrer Kameras auswirken. Der Unterschied zwischen MFOV und IFOV lässt sich nicht immer einfach kommunizieren. Die Angabe des MFOV anstelle des kleineren IFOV kann einige Kunden dazu veranlassen, sich für den Wärmebildsensor zu entscheiden, den sie als Gerät mit kleinerem IFOV wahrnehmen. Zudem ist der technische Aufwand zur Bestimmung des MFOV beträchtlich und kann je nach IR-Kameraprodukt stark variieren. Schließlich verwenden einige hochauflösende Infrarotkameras Detektoren mit sehr kleinen Pixeln (kleinem Pitch), die oft eine größere Pixelabdeckung erfordern, um vollständig auf die emittierten Temperaturen zu reagieren. Einige IR-Kameras haben ein MFOV, das siebenmal so groß ist wie das IFOV. Die Offenlegung dieser Spezifikation würde eine Produktschwäche offenlegen, wenn die Anwendung eine präzise Temperaturmessung erfordert. Sowohl MFOV als auch IFOV werden für alle Optris Kameras im Optris Rechner angegeben.

Warum ist es problematisch, wenn ich das IFOV nutze, um die Größe der Bauteile zu bestimmen, die ich genau messen kann?

Weil Ihre gemessene Temperatur immer niedriger sein wird als die tatsächliche Bauteiltemperatur. Kältere Pixel um das einzelne Pixel auf dem heißen Bauteil beeinflussen die Messung und senken den angezeigten Temperaturwert. Elektrische Komponenten, die heißer laufen als spezifiziert, haben eine geringere Lebensdauer als vorgesehen. Als Faustregel gilt: Die Lebensdauer eines elektronischen Bauteils kann sich für jeweils 10 °C Übertemperatur um die Hälfte verkürzen.

Ist die Bildrate der Kamera wichtig?

Das hängt von der Anwendung ab. In manchen Fällen, etwa bei der Suche nach einem Fehler oder Kurzschluss auf einer bestromten Leiterplatte mit konstantem Strom, sind schnelle Messungen nicht unbedingt erforderlich, und eine Kamera mit 9 Hz Bildrate kann ausreichend sein, sofern sie mit geeigneter Optik ausgestattet ist. Pulsbetriebene Schaltungen und andere elektronische Anwendungen beinhalten jedoch transiente Daten, und ein Verständnis der Temperaturdynamik mit einer zeitlichen Auflösung von 80 Hz kann wertvolle Informationen über das Bauteilverhalten liefern.

Viele Materialien auf meiner Leiterplatte haben unterschiedliche Emissivitäten. Kann ich mit einer Wärmebildkamera überhaupt nutzbare Temperaturdaten erfassen?

Ja, das ist möglich. Die meisten integrierten Schaltungen bestehen zwar aus Silizium (geringe Emissivität), sind aber in ECN oder anderen Varianten von Thermoplasten mit sehr hoher Emissivität verpackt. Diese Gehäuse eignen sich hervorragend für berührungslose Infrarotmessungen, ebenso wie gängige elektrische Bauteile wie Widerstände und Kondensatoren, die ebenfalls mit Thermoplasten beschichtet sind. Keramikgehäuse sind ebenfalls sehr gute Emitter (etwa 0,85) und liefern ausgezeichnete Temperaturdaten, wenn die korrekte Emissivität in der Software eingestellt wird. Metallische Anschlüsse, Leiterbahnen, Kovar oder andere Metalle, die für IC-Gehäuse verwendet werden, liefern bei Messungen mit langwelligen Infrarotkameras hingegen keine exakten Temperaturdaten, sofern sie nicht beschichtet oder lackiert werden, um die Emissivität zu erhöhen.

Kann ich zwischen MO2X- und MO44-Optiken wechseln?

Ja. Optiken können im Feld gewechselt werden und liefern kalibrierte Temperaturmessungen, vorausgesetzt, beide Optiken wurden mit genau der PI 640i kalibriert, mit der sie verwendet werden. Für eine korrekte Kalibrierung ist es wichtig, im Reiter „Device“ des Konfigurationsmenüs im Ausklappfeld für die Optiken die tatsächlich an der Kamera montierte Optik auszuwählen. Alle Optiken, die mit Ihrer Kamera (Seriennummer) kalibriert wurden, werden in diesem Feld angezeigt, sofern der PC mit installierter PIX Connect Software online ist.

Kann ich Optiken mit nicht-mikroskopischem Sichtfeld für größere Ziele wie Leiterplatten einsetzen?

Ja. Für die PI 640i stehen vier zusätzliche Optiken zur Verfügung, die für den Einsatz mit der Kamera kalibriert werden können. Dadurch erweitert sich das Anwendungsspektrum der PI 640i erheblich, da so sowohl vollständige Leiterplatten als auch die Produkte, in denen sie verbaut sind, thermografisch erfasst und temperaturgemessen werden können. Wie bei den Mikroskopoptiken ist darauf zu achten, dass beim Optikwechsel die jeweils korrekte Kalibrierdatei ausgewählt wird.

Ich verfüge bereits über Mikroskopoptiken. Kann ich diese verwenden?

Mit sichtbasierten Kameras entwickelte Mikroskopoptiken übertragen keine Infrarotstrahlung in dem Spektralbereich, in dem die PI 640i empfindlich ist, und können daher nicht mit einer Infrarotkamera verwendet werden. Infrarotoptiken, die nicht mit der PI 640i kalibriert sind, können zwar vergrößerte Wärmebilder liefern, aber keine kalibrierten Temperaturmessungen.

Warum benötige ich einen Mikroskop-Tisch?

Die grobe Fokussierung kann über den gerändelten Ring an der Außenseite des Mikroskopobjektivs vorgenommen werden, aber kleinste Veränderungen des Arbeitsabstands können die Bildschärfe und damit die Messgenauigkeit erheblich verbessern. Die Tische der Mikroskoppakete erleichtern diese feinfühlige Einstellung des Arbeitsabstands. Befindet sich das Bild nicht in optimalem Fokus, sind auch die Temperaturmessungen nicht exakt.

Kann ich die Temperatur der Anschlussdrähte meiner kleinen elektronischen Bauteile messen?

Kleine Anschlussdrähte sind mit leistungsstarken Infrarot-Mikroskopoptiken zwar sichtbar, bestehen jedoch meist aus Metallen mit geringer Emissivität, die Wärmestrahlung reflektieren. Die Drähte müssen mit Ruß (Carbon Black) oder mattschwarzer Farbe beschichtet werden, um sie mit einer Infrarotkamera genau messen zu können. Gleiches gilt für ein Bauteilgehäuse aus Metall. Lässt sich ein Metallanschluss nicht mit einer hoch emittierenden Beschichtung versehen, kann oftmals der hoch emittierende Verbindungspunkt des Anschlusses am Bauteil als Indikator dienen, dass der betreffende Anschluss heißer ist als gewünscht.

Kann ich durch die Schichten einer Leiterplatte hindurchsehen?

FR-4 und Teflon (PTFE) sind übliche Materialien, die als Substratlagen in Leiterplatten verwendet werden. Sie sind im Infrarotbereich nicht transmissiv, daher können Sie mit einer IR-Kamera nicht durch sie hindurchsehen. Wärme aus einem bestimmten Bereich kann jedoch durch die verschiedenen Leiterplattenlagen zur Oberseite geleitet werden, sodass sie von einer auf die jeweilige Oberfläche ausgerichteten Infrarotkamera erfasst werden kann. Die Kameraeinstellungen müssen ggf. optimiert werden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen, damit kleine Kurzschlüsse in inneren Lagen sichtbar werden. Zwischenlagen aus Kupferfolie können den Wärmefluss von den inneren Lagen zur Oberfläche dämpfen oder vollständig unterbinden.

Kann eine Infrarotkamera Chip- und Substrattemperaturen während der Leiterplattenfertigung verifizieren?

Bei jeder Infrarotmessung ist eine freie Sichtlinie zwischen Kameraoptik und der zu messenden Oberfläche erforderlich. In einem Reflow-Ofen wären Infrarotmessungen ohne Zugangsport, Halterungen und Kühlung der Kamera nicht möglich. Zwar ist derzeit kein System mit dieser Funktion kommerziell erhältlich, jedoch befindet sich ein erzwungener Konvektions-SMT-Reflow-Ofen in der Entwicklung, der Optris IR-Kameras im Linienscan-Modus nutzt, um Temperaturen zu messen und über kleine Schlitze im Ofen an vier Positionen vollständige Infrarotbilder zu erzeugen.

• Prozessbildgeber Xi 400
• USB-Kabel (1 m)
• Kabel für Ein-/Ausgang (1 m) inkl. Klemmblock
• Montagehalterung mit Mutter
• Softwarepaket optris PIX Connect
• Quick Start Guide