⚡️【熱像儀科研應用】看見熱點 - 使用高解析紅外線熱像儀,快速排除PCB與電子產品設計的瑕疵、突破故障檢測的盲點!

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【熱像儀科研應用】看見熱點 - 使用高解析紅外線熱像儀,快速排除PCB與電子產品設計的瑕疵、突破故障檢測的盲點!

隨著電子電路板與元件愈來愈小且功能愈強大,其固有的熱,容易導致故障與嚴重的損壞。FLIR策略業務發展經理Jerry Beeney將傳統溫度測量裝置與紅外線熱成像技術進行了比較。他以迷你電路板及實務拍攝的紅外線熱影像為例,探討紅外線熱成像技術如何能更輕鬆的識別熱點、改善熱管理及在電路板設計方面獲取更大的進步…。

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前言

隨著電子產品迷你化及表面安裝技術或稱表面安裝元件(SMT)的更廣泛使用,管理電子元件熱特性的挑戰難度也大幅增加!試想,電腦電路板從9吋(22.86cm)x13吋(33.02cm),縮小到大約智慧型手機大小的裝置 – 所使用的個別元件尺寸僅幾百分之幾微米!

高溫點溫槍可以測量那麼小的重要元件的溫度嗎?那麼小的元件,放得下熱電耦嗎?連接RTD探頭,會不會因為它本身也同時扮演著散熱的角色,而影響到測量精度?

在日新月異的產品開發與科學研究領域中,縮短測試時間、改善產品性能及降低總體產品與測試成本的需求,從未如此強烈!

您是否還在朝著一味增加散熱片或風扇…等方式,來嚐試解決普一上市便因過熱導致設備故障而湧現的退貨問題?

您是否投入了大量的資源與時間,卻仍在進行暗黑摸索,您所認為的熱點其實並非造成問題的真正熱點?

您想不想認識及採用其實更符合經濟效益的熱成像技術,以便能更快速輕鬆的“看見”熱點?甚至“看見”個別元件的熱變化與熱梯度?

使用紅外線熱像儀的優點

一家全球成長非常快速的PCB製造廠,就如其它許多廠家一樣例行使用熱模擬模型以預測何處出現熱負載,並據以修改以這些模型為基礎的設計和配置。他們會修改設計,並可能增加散熱片或風扇,以協助散熱。它們使用熱電耦與高溫點溫槍來驗證風扇和散熱片是否有效運作?!

然而,當產品推出後,許多客戶卻因電路板過熱所導致的故障而退貨,他們所做的第一件事,當然又是增加更多的散熱片及風扇,但是如此做,卻為電路板增加額外的重量及消耗更多的電力,導致效能降低,也增加總體成本!

他們在排除問題的過程與維修階段,持續的使用熱電耦及紅外線溫度槍,但是在投入了大量的時間與資源後,工程師仍然無法找到問題的根源,最後,在極力想更瞭解及掌握設備熱性能的驅使下,他們決定採用FLIR紅外線熱像儀進行研究。

最初,他們採用入門款紅外線熱像儀(解析度320 x 240像素),迴異於過去僅取得單點溫度測量值的結果,當他們初次從紅外線熱像儀看到熱影像後,大吃一驚的發現,原來所有的熱電耦都放錯了位置 — 遠離真正引發問題的熱點所在!此外,他們增加散熱片與風扇的位置,實際上卻並不如模擬模型所預測的那麼“熱”,他們的設計可能在不需要的位置額外多使用了一些散熱片和風扇。

在短短不到5分鐘的時間內,他們對電路板熱特性的瞭解,遠比數月中使用熱模擬模型、熱電耦與高溫點溫槍多更多 — 採用FLIR紅外線熱像儀,讓他們立即獲得重大的回報!

接著,他們再使用解析度為前述入門款4倍的高解析紅外線熱像儀(640 x 480像素)進一步檢查,結果非常惱人的,他們在電路板遠端發現先前未曾看到及甚至未曾考量過的熱點,這些熱點只有在使用高解析紅外線熱像儀的情況下才發現。

不用接觸,便可得到數百萬點溫度測量值,測量結果立即且容易理解!

在產品開發週期的研發與製造階段,能提供更完整的關於待測物的熱特性,有助於縮短測試時間,並使測量資料的解讀與分享極為容易。

一試見真章

隨著電子元件迷你化及表面安裝技術或稱表面安裝元件(SMT)的廣泛使用,管理電子元件熱特性的挑戰難度也增加了!試想,電腦電路板從9吋(22.86cm)x13吋(33.02cm),縮小到大約智慧型手機大小的裝置 — 所使用的個別元件尺寸僅幾百分之幾微米!

高溫點溫槍無法測量那麼小的重要元件的溫度!而元件太小,也無法容納得下熱電耦!有一個方法是連接類似熱電耦但比熱電耦還小的RTD探棒,但即使如此小的RTD探頭,也可能因為同時扮演著散熱的角色,而影響到測量精度。

紅外線熱像儀提供一個非接觸式的解決方案,可表現整個裝置的熱特性特徵,並且,還可用於測量個別元件的溫度。如要這麼做,您只須確定熱像儀系統是否包含一個額外的有適當“空間解析度”的微距鏡頭,以便精準的測量待測裝置上的溫度。

空間解析度

空間解析度通常指IFOV或稱為瞬時視野,是指紅外線熱像儀能拍攝的最小目標尺寸,它代表著在一個既定距離下一個像素或偵測單元所能看到的大小,而紅外線熱像儀的空間解析度是因偵測器的尺寸、所使用的鏡頭及熱像儀與待測物之間的距離而異。

假如您想測量的個別元件,尺寸小於熱像儀的空間解析度,那麼,該元件的溫度將成為一個像素上的平均溫度值,即使該元件比周圍更熱,您可能無法看到,而且肯定無法精準測量到它的溫度。

為了精準測量元件的溫度,它必須正好落在一個像素或偵測單元上,但實務上不太容易,因此,基於此點考量,典型的經驗法則是,須要有3 x 3像素等於全部9個像素落在您想測量的最小目標上,以便實現精準的測量,這個3 x 3像素的範圍通常就是指可測量的測量點尺寸(measurable spot size),不過,當我們在微小的表面安裝元件上測量溫度時,這3 x 3像素的範圍是否已經足夠了呢?

FLIR技術專家採用USAF美國空軍1951年創建的光學系統解析度測試圖卡測試後證實,當熱像儀搭配微距鏡頭或顯微鏡頭時,此3 x 3像素的範圍,可能不足以進行精準的測量,而會希望有大約6像素到9像素跨越您想測量的最小目標區域,以便維持最佳的測量精度。

快速實測

以入門等級A655sc 25°鏡頭測試,並以普受歡迎的單板電腦Raspberry Pi 3電路板為範例。

Raspberry Pi 3電路板是個絶佳的測試範例,因為它很小,尺寸僅約一張信用卡大小86mm x 58mm,上面有許多微小的尺寸僅1.0 x 0.5mm的0402表面安裝元件(SMT1005)。

FLIR A655sc是一款極富靈活性的熱像儀系統,具有640 x 480像素形式的微輻射熱測定偵測器,總解析度307,200像素,可以搭配許多鏡頭,從遠距、窄視角到微距鏡頭。

實測一:

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  • 熱像儀:A655sc 25°。
  • 最小焦距:250mm。
  • 總視野:111mm x 83mm,比整個Raspberry Pi 3尺寸稍大。
  • 熱像儀的瞬時視野(IFOV)或稱空間解析度:每個像素約0.173mm或173μm。
  • 在0402表面安裝元件上將覆蓋大約5 x 2像素。依前述USAF 1951解析度測試圖案的探討,假如想測量0402元件的實際溫度,所得到的結果並不理想!

實測二:

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  • 熱像儀:A655sc 100μm微距鏡頭。
  • 熱像儀到測量目標的工作距離:172mm。
  • 總視野:縮小到64mm x 48mm,無法看見Raspberry Pi 3的外部邊緣。
  • 熱像儀的瞬時視野(IFOV)或稱空間解析度:每個像素約0.1mm或100μm。
  • 在0402表面安裝元件上將覆蓋大約10 x 5像素,總像素大約是使用標準25°鏡頭的5倍,這表示您可以得到不錯的溫度測量結果!但實際上,還可以更好!

實測三:

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  • 熱像儀:A655sc 50μm微距鏡頭。
  • 熱像儀到測量目標的工作距離:84mm,雖然很接近,但仍留有許多空間讓探頭和其它儀器在測試過程中操作使用。
  • 總視野:縮小到32mm x 24mm,可以更清楚的看見個別走線與元件。
  • 熱像儀的瞬時視野(IFOV)或稱空間解析度:每個像素約0.05mm或50μm。
  • 在0402表面安裝元件上將覆蓋大約長軸20個像素,短軸10個像素,這表示,在一個0402元件上可得到總像素200像素,所以,當您測量該尺寸的SMT元件時,將可得到十分理想的測量數據,甚至能看見元件上的熱變化狀態,不過,即使如此,您知道嗎?我們還可以做得更好!

實測四:

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  • 熱像儀:A655sc 25μm微距鏡頭。
  • 工作距離:46mm。
  • 總視野:縮小到16mm x 12mm。
  • 熱像儀的瞬時視野(IFOV)或稱空間解析度:每個像素約0.025mm或25μm。
  • 在0402表面安裝元件上將覆蓋大約長軸40個像素,短軸20個像素,這表示,當搭配25μm微距鏡頭時,您可以在一個0402元件上得到總像素800像素,所以,如果您測量那個尺寸的SMT元件,將可得到非常理想的測量數據,甚至還能看見在元件上的熱變化狀態,但是,即使如此,您知道嗎?我們還可以得到更精細的測量結果!

實測五、六:

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  • 上面這2張熱影像是採用FLIR高性能致冷式紅外線熱像儀搭配顯微鏡頭所拍攝,拍攝對象仍然是前述的Raspberry Pi 3,或許因為視野很小,而難以認出。
  • 左上圖是使用A8303sc及1倍顯微鏡,產生空間解析度每像素14μm,用這麼小的空間解析度來檢測印刷電路板,仍屬於合理的選擇。
    不過有許多人偏好選擇更寬廣視野的鏡頭作為起點,以便讓他們能得到整個裝置的完整熱特性變化,然後,再使用顯微鏡頭針對熱點或關注區域,進行深入的分析。
  • 右上圖仍然是使用A8303sc,但是是搭配4倍顯微鏡頭,產生每像素3.5μm空間解析度,總體視野更小了,但是可以清楚看見橫跨個別0402元件的熱梯度。這個熱像儀鏡頭系統在封裝的ASIC檢查時真的很出色,但視野通常很小,無法進行理想的印刷電路板檢查,除非您願意在裝置上平移,此外,如同多數顯微鏡鏡頭一樣,對焦的深度相當淺。

短路/故障偵測

但是,假如您並不想測量溫度,只想檢測熱點怎麼辦?

電子設計人員和製造廠對紅外線熱像儀的一項常見用途是檢測熱點,以進行故障分析。在本例中,測量絶對溫度並不像查找引起細微熱差異的微小熱點那麼重要 — 這些熱點可能指示了裝置的故障或問題點。

查找熱點的一個簡單方法包括影像減法。採用影像減法時,紅外線系統軟體拍攝裝置通電之前的影像,以建立熱基線,然後再於電路板通電後的後續影像減去該熱基線影像,以便除去靜態的反射溫度值,只留下由於裝置啟動加熱所引起的真實溫差。正如您可以在以下影像中看見的砷化鎵混合信號裝置已通電,但您無法看見任何熱點或短路。

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透過影像減法,我們得以有效的移除所有來自較低放射率元件反射的溫度所造成的表觀熱點。

讓我們聚焦在由裝置本身產生的真正熱點,正如您可以從以下影像中看到的,在底部的帶狀線電容器中有一個短路。

採用影像減法的紅外線檢查,還可透過識別焊接不足,而幫助您保證品質。焊接不足,會增加焊點處的電路電阻,從而使溫度升高到足以被紅外線熱像儀檢測到的程度。有故障的電路將顯示出與良好電路不同的溫度曲線,而有助於確定電路是否合格或不合格。

被動式熱成像與影像減法,在多數情況下均有理想的效果,但有一種稱為鎖相熱成像的技術,能將紅外線熱像儀的靈敏度提高到10倍以上,能更輕易的檢測到微小的熱點,我們將在未來探討這個主題。

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使用紅外線熱像儀的回報

在快節奏及日新月異的產品開發與科學研究領域中,縮短測試時間、改善產品性能及降低整體產品與測試成本的需求,未曾如此強烈!

FLIR研發與科學等級熱像儀,透過快速直觀的熱測量與分析解決方案,提供了足以實現這些目標的理想工具!在每種價位的產品,均具有清楚的優勢。

FLIR熱像儀提供快速且可衡量的投資回收,近日,FLIR技術驗證人員對眾多的科研客戶進行了調查。他們詢問FLIR熱像儀解決方案如何協助他們改善業務,壓倒性的反應是更快速的測試時間及增加節省的成本有71%以上的客戶削減了一半的測試與產品開發時間,顯示出使用FLIR紅外線熱像儀測量解決方案縮短了2倍以上的測試時間,這在某種程度上使平均成本節省了大約55,000美元。

結論

簡而言之,對製造廠而言,在測試及識別曾經可能被視為不可能或至少難以快速找出的問題中,紅外線熱影像可謂"一試見真章"!

其投資回報來自熱影像能精準的指出設計上的瑕疵,從而縮短測試與上市時間。

熱影像也能讓工程師看見電路板的完整熱特性圖譜及每個像素的溫度數值,不用擔心將熱電耦或RTD探棒設置在錯誤的位置而導致錯誤的讀值。

熱影像能準確的顯示電路板上的熱點位置,而當然,在研發的許多階段中都可採用熱成像技術,並不僅僅是簡單的電路板成像而已!

《本文圖文取材編譯自FLIR原廠thermography-training/webinars/see_the_heat_troubleshooting_pcb_electronic_product_design_with_thermal_imaging/ 》

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2021-09-28