Schluss mit thermischen Fehlern

Dipl.-Phys. Thomas Ullrich, Optris GmbH

Die immer stärkere Miniaturisierung elektronischer Bauteile stellt höchste Anforderungen an den Produktionsprozess und die Überwachung der entscheidenden Fertigungsparameter. Um die Ausfallrate so niedrig wie möglich zu halten, müssen selbst kleinste Abweichungen sofort erkannt werden.

Fehler in der Metallschicht eines Widerstands führen in bestimmten Bereichen zu erhöhten Verlustleistungen und damit zu einem minimalen Anstieg der Temperatur. Im Einsatz verursachen solche Fehler eine schnellere Alterung und damit einen vorzeitigen Ausfall des Bauteils. Infrarot Pyrometer von Optris ermöglichen mit Temperaturauflösungen von bis zu 0,025°C und Reaktionszeiten ab 1ms eine kostengünstige Fehleranalyse während der Produktion. Um die (gerade auch von der Automobilindustrie geforderte) Rückverfolgbarkeit der Bauteile zu gewährleisten, können die Messdaten mit Hilfe von »PI Connect Software« des Unternehmens ausgewertet und dokumentiert werden. Die ohne zusätzliche Kosten und Lizenzeinschränkungen verfügbare Software ist auf Plattformen wie Windows und Linux lauffähig. Unterstützt von einer intuitiven Bedienoberfläche lässt sich die Darstellung an die jeweiligen Bedürfnisse anpassen. Die Software bietet eine schnelle Temperaturdatenanalyse und -dokumentation – sowohl online als auch offline.

Nach vorheriger Festlegung von Alarmschwellen können Alarme visuell, akustisch und elektrisch ausgegeben werden. Referenzwerte helfen das Wärmebild zu optimieren und mittels verschiedener Farbpaletten lassen sich thermische Kontraste optimal hervorheben.

Während der Entwicklung von Leiterplatten liegt ein Fokus auf der Strombelastbarkeit der Leiterbahnen. Eine unzulängliche Auslegung der Stromtragfähigkeit führt zur Überhitzung von Leiterbahnen, was zu einer Schädigung des Basismaterials und gegebenenfalls von Bauelementen führen kann. Die aufgrund der Verlustleistung entstehende Wärme verteilt sich auf der Leiterplatte und wird dabei gleichzeitig per Konvektion abgegeben und per Wärmestrahlung in die Umgebung abgestrahlt. Programme zur Thermosimulation erleichtern es den Entwicklern, die vorhandenen Layoutdaten zu überprüfen. Trotz der Ausgereiftheit dieser Tools kann es zu Abweichungen von Soll- zu Ist-Werten kommen. Das Unternehmen bietet mit den IR-Wärmebildkameras der PI-Serie Online-Thermographiesysteme mit einem herausragenden Preis-Leistungs-Verhältnis zur Echtzeit-Analyse des thermischen Verhaltens von bestückten Leiterplatten. Auf einem kleinen ungekühlten Bolometer (UFPA) mit bis zu 382 x 288 Pixel basierend liefern sie Wärmebilder in Echtzeit. Die Schwachstellen des Layouts werden von der Infrarotkamera im Wärmebild visualisiert.

Die standardisierte USB 2.0-Schnittstelle erlaubt dabei Videoaufzeichnungen mit bis zu 120Hz. Das erweist sich als vorteilhaft, wenn thermische Vorgänge, die nur kurzzeitig auftauchen, später in Zeitlupe analysiert werden sollen. Einzelbilder können dann nachträglich aus einer solchen Videosequenz mit voller geometrischer und thermischer Auflösung gewonnen werden. Die Kombination aus Mikrobolometer-FPA-Detektor und Hochleistungsoptiken lässt eine Anpassung an unterschiedliche Messabstände und Objektgrößen zu. Thermische Prozesse sehr kleiner Objekte ab 25μm Größe sind aufgrund der kleinen Pixelgröße auf dem Detektor darstellbar (zum Beispiel von kleinsten SMD-Bauelementen im Funktionstest). Ab einer Größe von 75μm ist die Temperatur der Elemente exakt messbar. Die hervorragende thermische Empfindlichkeit der Kameras von bis zu 40mK ermöglicht dabei die Darstellung feinster Temperaturdetails.

Alternativ zu festen Leiterplatten haben sich flexible Leiterplatten (FPC) in den letzten Jahren zunehmend am Markt etabliert. Sie kommen immer dann zum Einsatz, wenn vollständige Verdrahtungen von kompakten Geräten und Systemen realisiert werden sollen. Die Vorteile bestehen in der Vermeidung zusätzlicher Kabel oder Steckverbinder und in der Reduzierung von Kosten für die Bestückung und Montage.

Als Basismaterial für flexible Leiterplatten kommen Polyimidfolien (PI) zum Einsatz, die gegenüber den alternativen PET- und PEN-Folien eine höhere Temperaturbelastbarkeit, eine uneingeschränkte Lötbarkeit sowie den größten Betriebstemperaturbereich aufweisen. Bei der Herstellung der FPC werden je nach Anforderungen mehrere Lagen PI-Folie mit Kupferfolien unter Zuhilfenahme von Acrylkleberfolien laminiert. Die Laminiertemperatur muss dabei auf der gesamten Fläche exakt eingehalten werden. IR-Wärmebildkameras liefern hier ein genaues Bild des Temperaturprofils, um die Geschwindigkeit des Laminierprozesses präzise steuern zu können.

Bei bedrahteten Bauelementen muss dabei sichergestellt sein, dass die Durchwärmung der Leiterplatten ausreichend ist, um das Lot nicht bereits vor Erreichen der Leiterplattenoberfläche erstarren zu lassen. Speziell für unter Bauteilen verborgene Durchkontaktierungen ist das sehr schwierig. Die Lötparameter sind dabei von Platine zu Platine unterschiedlich und können aufgrund der trägen Reaktion der Temperaturprozesse nur über die Geschwindigkeit des Transportbands der Lötanlage gesteuert werden. Seit Verwendung von bleifreien Loten sind die Anforderungen an die Basismaterialien durch höhere Verarbeitungstemperaturen gestiegen. Einerseits sollen die Durchkontaktierungen komplett benetzt sein, andererseits darf der Tg-Wert der Leiterplatte, ab dem das Epoxydharzgefüge weich und elastisch wird und die Z-Achsen-Ausdehnung erheblich zunimmt, keinesfalls überschritten werden. Mit Hilfe von IR-Wärmebildkameras ist eine detaillierte Echtzeit-Analyse aller Durchkontaktierungen in der Serienproduktion auf einfache Art möglich.

Für den Einsatz in der Serienfertigung lässt sich die Kamerasoftware an industrielle Steuerungen anpassen. Neben den Maximum-, Minimum- und Mittelwert-Temperaturen lassen sich dann auch Alarme definieren und an übergeordnete Leitsysteme übergeben, um die Qualität der Baugruppen dauerhaft zu gewährleisten. In Serienprozessen bietet sich oftmals die noch kostengünstigere Überwachung mit IR-Thermometern an. Beispielsweise können kritische Bauelemente, die bei der Serienfertigung in Bezug auf den Messort immer wieder reproduzierbar platziert werden können, mit einem Pyrometer erfasst werden.

Das Unternehmen bietet mit seinen Infrarot-Pyrometern und IR-Wärmebildkameras eine kostengünstige Möglichkeit, Leiterplatten von der Rohplatine bis zur Endbaugruppe thermisch auf Fehler zu kontrollieren und die Qualität zu sichern. Dabei spielt es keine Rolle, ob der Einsatz zur Optimierung der Entwicklung oder in der Serienproduktion erfolgt.