Erschienen am: 29.10.2018, Ausgabe SPS-MAGAZIN 11 2018

Thermographie zur Fehlerdiagnose bei komplexen Platinen

Unerschütterlich

Bei Highland ist Wärmebildtechnik ein integraler Bestandteil der Konstruktion und Begutachtung der Zuverlässigkeit und thermischen Belastung neuer Designs. Dank der Wärmebildkamera ETS320 kann das Unternehmen jetzt Temperaturmessungen an seinen Prüfständen schneller, einfacher und wesentlich preisgünstiger vornehmen.


Mit 76.800 berührungsfreien Messpunkten und einer thermischen Empfindlichkeit von <0,06°C hilft die preisgünstige Wärmebildkamera ETS320 Ingenieuren beim raschen Erkennen von Konstruktionsfehlern auf Platinen.
Bild: Flir Systems GmbH

Elektronikprodukte, die bei Luft- und Raumfahrtanwendungen und in der Forschung genutzt werden, müssen zwei entscheidende Anforderungen erfüllen: Sie müssen absolut leistungsfähig und zuverlässig sein, um den extremen Bedingungen zu widerstehen. Um diese Leistung zu erzielen, verwenden Elektronikentwickler oftmals kleine Bauteile, die sie regelmäßig an ihre Grenzen bringen. Dabei werden diese Bauteile jedoch heiß. Und wenn sie zu heiß werden, bedeutet das, dass sie nicht zuverlässig funktionieren oder schon nach kurzer Zeit kaputtgehen. Mit dieser Herausforderung ist das in San Francisco ansässige Unternehmen Highland Technology täglich konfrontiert. Highland wurde 1984 gegründete und entwickelt und fertigt serienmäßige und kundenspezifische Elektronikprodukte für anspruchsvolle Anwendungen. Dabei ist eine Platine oftmals mit mehr als 1.200 kleinen Bauteilen bestückt. Die Ingenieure bringen die Bauteile regelmäßig an ihre elektrischen und thermischen Grenzen, damit sie die sehr hohen Leistungsanforderungen der Kunden erfüllen. Dabei geht es insbesondere um Geschwindigkeiten im Picosekundenbereich. Daher lassen sich die meisten Fehler, die auf dem Prüfstand erkannt werden, auf überhitzte Bauteile zurückführen.

Wärmebildtechnik als Lösung

"Wärmebildtechnik spielt bei unseren Tests eine wichtige Rolle, da sie uns oftmals schnell zu den jeweiligen Problemen führt. Sie haben z.B. eine Platine, die nicht einwandfrei funktioniert. Das könnte u.a. an der Stromversorgung, einem Spannungsregler oder einem FPGA-Chip auf der Platine liegen. Man könnte nun zahlreiche Untersuchungen mit Oszilloskopen und Spannungsmessgeräten ausführen, um den Fehler zu finden, doch die Wärmebildtechnik ist hierfür eine wirklich praktische Methode, die uns schnell und unkompliziert zeigt, wo genau das Problem liegt", so John Larkin, Präsident und Chefingenieur von Highland Technology. Mit Wärmebildtechnik kann der Ingenieur oder QS-Techniker die Spannungsverteilung auf der gesamten Platine visuell verfolgen und dabei erkennen, welches Bauteil einen Hot-Spot verursacht. Da sich die Fehlersuche mit der Wärmebildkamera schnell auf ein bestimmtes Bauteil eingrenzen lässt, verkürzt Sie die gesamte Problemerkennung und -behebung. Doch mit Wärmebildtechnik kann Highland Technology nicht nur jedes Problem präzise lokalisieren, sondern auch die genaue Temperatur jedes Bauteils ermitteln. Diese Informationen sind entscheidend, um zu verstehen, bis zu welcher Grenze ein Bauteil belastet werden und welche Spezifikationen es erfüllen kann, bevor es unzuverlässig wird oder ausfällt.

Obwohl das Unternehmen wusste, dass es seine Probleme mit einer Wärmebildkamera lösen könnte, gestaltete sich die Suche nach der idealen Kamera als schwierig. Die Wärmebildkamera Thermacam E45, die Highland bereits nutzte, war ein sperriges Instrument mit einem großen Germanium-Objektiv, die sich nur schwer transportieren ließ. Aufgrund seiner damaligen, hohen Anschaffungskosten besaß das Unternehmen davon nur ein Exemplar und nutzte dieses bereits seit über zehn Jahren. Ein weiteres Problem mit der vorhandenen Wärmebildkamera war laut Carla Vega, der Prüfprogrammleiterin von Highland, dass man die Kamera bei den Überprüfungen eigenhändig festhalten musste. Highland brauchte also eine kleinere Wärmebildkamera, die sich freihändig bedienen ließ und so kostengünstig war, dass sich seine Konstruktions- und Prüfteams jeweils mit eigenen Exemplaren ausstatten ließen. Außerdem mussten sich mit der Kamera auch winzige Bauteile aus sehr kurzer Distanz aufnehmen lassen, da Highland überwiegend integrierte Schaltkreise, Widerstände und Kondensatoren überprüft.

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Schnelle Fehlerkorrektur

Mit dem ETS320 Wärmebildsystem erzielte Highland schließlich bei seiner Suche den Durchbruch. Mit ihrem mikroskopartigen Standfuß wurde sie eigens zur freihändigen Nutzung im Labor entwickelt. Neben der hohen Empfindlichkeit (sie erkennt Temperaturunterschiede von weniger als 0,06°C) bietet die Kamera einen umfassenden Temperaturmessbereich zum Quantifizieren der Wärmeentwicklung und -verteilung (von 20 bis 250°C) und die Möglichkeit, kleine Bauteile bis zu einer Punktgröße von 170µm pro Pixel zu messen. Mit 76.800 Punkten für berührungsfreie Temperaturmessungen und einem echten 45° breiten Sichtfeld verbessert die Kamera auch die Produktentwicklung. Sie bietet Highland genau die Plattform, die das Unternehmen benötigte, um eine Platine unter die Kamera zu legen und frei von jeglichem Zittern oder Erschütterungen durch den Bediener elektrisch zu prüfen. Außerdem lässt sich die Kamera einfach von einem Prüfstand zum nächsten tragen. Einmal auf das Zielobjekt eingestellt, behält sie ihren Fokuspunkt und ihre Messdistanz unerschütterlich aufrecht. Außerdem ist die Kamera so preisgünstig, dass Highland gleich mehrere Exemplare davon anschaffen konnte.

Erst kürzlich stellte John Larkin fest, wie nützlich die ETS320 ist, als er eine Platine entwickelte, einen entsprechenden Prototyp baute, diesen bis zum Erreichen einer zufriedenstellenden Funktionsreife testete und anschließend mit der Wärmebildkamera überprüfte. Damit erkannte er schnell, dass die Transistoren eine Betriebstemperatur von knapp 200°C erreichten. Obwohl sein Design auf den ersten Blick einwandfrei zu funktionieren schien, wäre es bei einer derartig hohen Betriebstemperatur nicht zuverlässig gewesen. Nachdem er den Fehler erkannt hatte, durchlief er den Entwicklungsschritt erneut und griff dabei auf leistungsstärkere Transistoren zurück. Auch das Team von David Stanislowski stieß bei einer Platine auf ein ähnliches Problem: Ein FPGA-Chip wurde zu heiß und fiel ständig aus. Mit der Kamera konnte sein Team die Temperatur des FPGA-Chips unter anderen Bedingungen messen und dabei dessen Belastungsgrenzen ermitteln. Um das Wärmeproblem bei dem FPGA-Chip in den Griff zu bekommen, fügte das Team einen Kühlkörper hinzu, verstärkte den Kühlluftstrom und schränkte die Spezifikationsgrenzwerte für den Betriebstemperaturbereich ein.

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