Infračervené kamery Optris ve vývoji a výrobě elektroniky. Měření teploty u nejmenších SMD součástek

V posledních letech je ve vývoji elektroniky patrný výrazný trend: zvyšuje se hustota při osazování DPS. Například chytré telefony jsou dnes mnohem výkonnější než před několika lety, ale přesto nejsou větší. Totéž platí pro IT zařízení, automotive a i spotřební elektroniku. Z toho důvodu je třeba věnovat zvýšenou pozornost distribuci tepla mezi osazenými součástkami. IR kamery Optris jsou v tomto ohledu výrazným pomocníkem.

Přehřívání DPS

Stále se zvyšující hustota integrace znamená, že otázka přehřívání DPS i jednotlivých osazených komponent je stále více na pořadu dne. Dalším faktorem je miniaturizace součástek, která může bránit účinnému odvodu tepla. Nakonec i aplikace, kterými protékají relativně velké proudy, jsou díky použití výkonové elektroniky v praxi stále běžnější – například v oblasti pohonů. Životnost polovodičových prvků je velmi závislá na teplotě. Zvýšení teploty o 10 °C způsobí snížení životnosti o 50 %. To znamená, že vývojáři elektroniky stojí před úkolem optimalizovat tepelné chování DPS.

Teploty polovodičů, desek plošných spojů nebo celých sestav se ideálně měří bezkontaktně, v IR spektru. Postup měření je rychlý a přesný – což je při výrobě elektroniky obzvláště důležité. Při měření je třeba kontrolovat, kde přesně deska s plošnými spoji vykazuje vyšší teploty. Příčiny příliš vysokých teplot mohou být různé: vadné součástky, nesprávně dimenzované obvodové cesty nebo špatně připájené spoje. Pro správné změření teplot i velmi malých SMD součástek a struktur na DPS je nezbytná infračervená kamera s dostatečně vysokým rozlišením. Pomocí ní lze například přesně určit, která konkrétní součástka generuje příliš mnoho tepla.

Infrakamery se používají v různých fázích vývoje elektroniky. Často se teploty na desce s plošnými spoji předem simulují pomocí výpočtů tepelného modelu. Při testování prototypů lze pak tyto modelové výpočty ověřit. Pokud se objeví nějaké nesrovnalosti, lze data získaná při měření opět zahrnout do následných simulací a tepelné modely tím zpřesnit.

Při měření prototypů lze identifikovat komponenty, které spotřebovávají nadměrné množství energie. To umožňuje včas odhalit chyby v návrhu obvodu. Lze také zjistit vzájemné rušení součástek.

Ve výrobě se často používají hotové DPS od subdodavatelů. K provádění vstupní kontroly kvality těchto komponentů lze rovněž použít IR kamery Optris. Tuto kontrolu lze provádět na všech dodaných komponentech nebo pomocí náhodného výběru vzorků. Infrakamery se používají také při výstupní kontrole v rámci zajištění kvality hotových dílů nebo desek plošných spojů. To umožňuje například identifikovat vadné součástky či partie.

Výběr vhodné IR kamery

K zobrazení drobných struktur DPS je zapotřebí kvalitní infrakamery. Moderní IR kamery obvykle používají matici miniaturních bolometrů, které jsou umístěny na čipu. Tento takzvaný mikrobolometrický detektor FPA (Focal Plane Array) se může skládat z více než 2 milionů pixelů. Samotné bolometry mají rozměry od 12 × 12 μm do 35 × 35 μm a tloušťku 0,15 μm. Odpor bolometru se mění při absorpci tepelného záření. Takto vzniká tepelný obraz s jednou naměřenou hodnotou teploty pro každý pixel obrazu, což teoreticky umožňuje měřit teplotu až ve stovkách tisíc bodů zároveň.

Problematika rozlišení snímače a vliv objektivu

Čím více pixelů má obrazový snímač, tím vyšší je možné rozlišení. Protože se však jednotlivé bolometry s rostoucím počtem pixelů zmenšují, je tepelné záření vyzařované každým pixelem nižší. Z tohoto důvodu potřebují menší pixely mnohem vyšší detekční schopnost, aby bylo dosaženo stejného teplotního rozlišení. To klade velmi vysoké nároky na tepelnou izolaci, teplotní koeficienty i efektivní využití povrchu snímače. V praxi se používá nižší snímková frekvence, aby bylo možné integrovat obrazové signály v delším časovém úseku. Obecně se ukazuje, že počet pixelů, snímkovou frekvenci a teplotní rozlišení nelze zvyšovat nezávisle na sobě.

Stejně jako u fotoaparátů nebo videokamer není za kvalitní obraz odpovědný výhradně obrazový snímač (resp. počet jeho pixelů). Neméně důležitou roli hraje objektiv. Objektivy infrakamer mají často vysokou světelnost. Aby se využilo co nejvíce tepelného záření a zároveň zůstalo bez atmosférických vlivů, probíhá veškerá práce ve spektrálním rozsahu 8 až 14 μm. Zde se však již dostáváme do rozsahu velikosti jednoho pixelu, takže v případě velmi malých objektů, které mají například jen 3 × 3 pixely, je naměřená teplota často příliš nízká. Aby bylo možné spolehlivě určit teplotu, je třeba zajistit přesnost měření systému i pro malé objekty. Jinak je vysoké rozlišení s ohledem na čistý počet pixelů málo platné. Kromě zjištění, která je nejmenší rozeznatelná struktura, je důležitá také otázka minimální velikosti, kterou musí mít objekt v záběru, aby bylo možné spolehlivě určit jeho teplotu.

Pokud je rozlišení omezeno na malý počet malých pixelů, lze v zorných polích standardní velikosti využít menší objektivy s krátkou ohniskovou vzdáleností. Ty jsou cenově výhodnější, ale mají tu nevýhodu, že menší clona propouští méně světla. To je zase třeba kompenzovat úměrně citlivějšími snímači. Zorné pole termokamery závisí také na zvoleném objektivu a může se pohybovat v rozmezí od 6° do 90°. Čím větší je vzdálenost mezi kamerou a objektem, tím větší je snímaná oblast obrazu a v důsledku toho i detail obrazu, který může zobrazit jednotlivý pixel. Optické rozlišení měřicího zařízení je proto třeba volit v závislosti na velikosti měřeného objektu a vzdálenosti mezi ním a snímačem.

Souhrnně lze říci, že kombinace objektivu, snímače a termokamery musí být vhodná pro danou měřicí úlohu tak, aby bylo možné získat termální obraz s dobrým tepelným i geometrickým rozlišením. Našim zákazníkům obvykle pomůžeme s výběrem nejvhodnější kombinace.

Optris Pi s mikroskopickou optikou

Infrakamery Optris Pi450 a Pi640 jsou ideální modely pro měření na DPS. Jsou vybaveny detektory o velikosti 382 × 288 pixelů (Pi450) a 640 × 480 pixelů (Pi640). Díky vyměnitelnému mikroskopickému objektivu s manuálním ostřením lze pozorovat a přesně měřit teploty i u velmi malých SMD součástek. Nejmenší průměr měřicího bodu má u Pi450 velikost 42 μm a u Pi640 dokonce 28 μm. Tyto kamery mají základní přesnost měření ±2 °C a díky snímací frekvenci až 125 Hz lze pozorovat i rychlé procesy. Obě infračervené kamery zaznamenávají snímky i videa, která lze analyzovat pomocí SW Optris Pix Connect, který je zdarma, a to pro neomezený počet instalací.

Infrakamery Optris jsou cenným pomocníkem při vývoji, testování a výrobě DPS. Díky vysokému rozlišení lze měřit teploty a rozložení teplot i u miniaturních SMD součástek. To pomáhá odhalit chyby během procesu návrhu a spolehlivě identifikovat vadné komponenty. Výsledkem je rychlejší a bezpečnější vývoj elektroniky.

Pro více informací či možnost předvedení kamer Optris prosím kontaktujte firmu TR instruments www.trinstruments.cz.