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电子元件:非接触式检测活动

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电子元件:非接触式检测活动

发布日期:2019-06-20 作者:深圳市金厚德电子科技有限公司 点击:

电子元件检测:非接触式检测活动

随着电路板与元件日趋变小,功能日益强大,其散发的热量可能导致电路板出现十分明显的损坏。红外热成像技术可以发现热点,改进热管理,在电路板设计方面获得重大突破。

电子元件的耐高温性较差,这正是电子元件在不断变小的同时,电子系统工程师力求确保元件在凉爽环境下运行的原因。由于芯片体积紧缩,其在元件内部的密度骤增,热量便成为一项无法避免的问题,这不仅体现在民用设备中,军用设备亦然如此。随后,因发热带来的种种不便俨然升级为安全问题。武装人员依靠电子元件的质量确保武器与通信系统的完整性。

政府机构常常会斥资数百万去寻求先进的热管理技术,帮助设计工程师在降低电子元件的大小、重量和功耗方面取得显著成效,以此杜绝因散热不良引发的问题。

接触检测 vs.非接触检测

VXI电路板设计工程师曾经历过大规模的退货问题,客户普遍对电路板的过热缺陷提出投诉。工程师们使用模拟模型,确定应在何处设计散热片和增设风扇,以达到散热目的。他们曾尝试在电路板上安装热电偶,希望发现潜在的设计问题。经过多次努力后,最终选择使用红外热像仪对电路板进行扫描检测。

FLIR美国国内销售总监Chris Bainter表示,红外热像仪比热电偶更具优势。他提到:首先,当不清楚热点位于何处时,如何确定热电偶的安装位置?设想在电路板上安装数以百计的探针。这不太现实,徒劳无获而已。

Bainter随身携带FLIR的一款红外热像仪到访了生产基地。当他打开热像仪,对准电路板时,热点随即映入眼帘。这些热点在散热片、风扇或热电偶附近无处不在。

Bainter解释说:看到热图像的第一眼,我们便能精确判断电路板上温度最高的热点在何处,哪一块芯片的温度最高。

知道在何处开始故障检测仅仅是第一步。红外热像仪在设计电路板热管理系统方面同样可提供建设性参考。在这款特定的电路板设计中,工程师意识到了风扇与散热工具并未安装在最热的元件附近。由此提出这样一个问题:这些真的有必要吗?或换言之,工程师是否为那些不再需要的重量和功耗设计了热管理元件?了解设备的真实热属性以及散热能力是改进模拟模型、优化整体设计、加速样机研究的关键。

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元件体积不断减小

随着元件体积的不断缩小,面临的发热问题急剧增加。设想一下,从尺寸约为9”×13”VXI电路板至智能手机仅几百微米的单个元件。此尺寸的元件甚至无法容纳一个测热用的热电偶。而且,解决方案需要附加一根与热电偶类似,但体积略小于热电偶的RTD探针,这根略小的探针相当于一块散热片,即便体积很小,也会影响测热效果。

Bainter解释道:以接触的方式对极小元件进行温度测量的挑战性极高,几乎不太可能。当元件体积足够小时,探针可能会影响设备的热灵敏性。在这种情况下,红外热成像的非接触式测温就变得十分必要了。

电子元件工程师与生产商对红外热像仪的另一项常见应用是检测热点,用于故障分析。此时,发现会导致细微热差异的细小热点比测量绝对温度更为重要。这些热点将成为设备故障的指示性参数。当有源热像仪正常运行时,一种称为锁相热成像的技术会将热像仪的灵敏度增加10倍,使之更容易检测到细微的热点。

红外检测还能发现锡焊焊接不足之处,有助于质量保证。焊接不牢会增加焊接点的电阻,导致温度升高,从而轻松被红外热像仪检测到。故障电路板的温度曲线不同于良好电路板,由此可确定电路板是否合格。

热成像技术的成本是否合理?

随着电子元件体积的缩减,有关热成像成本是否合理的问题也随之增加。如今,红外热像仪镜头的分辨率是10年前的16倍,而成本却维持不变。Bainter认为,随着成本持续下跌,红外热像仪与数字万用表、示波器,以及电压分析仪等将成为实验室测试的标准测热工具。技术进步当然也在考虑之列。

在有必要进行电子元件检测之处,热成像技术仍有改进的空间。其中一大挑战是校正表面发射率。许多电路板的元件拥有不同的发射率,有的元件有光泽,因此发射率较低。这一点使测量绝对温度更具挑战性。针对这一问题的补偿方式有多种,例如:高发射率涂层、图像相减、发射率映射等。

在图像相减应用中,设备通电前,红外检测系统会捕捉一幅图像作为基准。当设备启动后,基准图像会从后续图像中被减去,因此,去除静态不变的反射温度值,剩下的仅仅是设备升温的真实温度细节。图像相减能有效去除从较低发射率设备获得的所有因错误静态反射温度形成的热点,用户可将注意力完全放在部件自身发出的热点上。

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打击伪劣产品

热成像技术升级为新应用的潜力巨大,例如:伪劣产品检测(另一项在军用采购中不断涌现的问题)。

Bainter表示,使用便宜材料和仿造的假冒产品,虽然外观看上去与正版产品相差无几,但在热性能方面的差异仍旧十分明显。

美国政府问责局(GAO)的研究表明:大部分部件可在网上低价购买,疑似伪造和假冒的军用电子元件时常出现在许多互联网采购平台上。事实上,在最近的一项研究中,上报给GAO的经销商没有一家是合格的。在提交报价后,GAO收到了来自396家经销商的响应,其中有334家位于中国,25家位于美国,37家位于其它国家,包括英国与日本。GAO选择了第一批价格最低的竞标,所有16类部件全由中国经销商提供。

投资成效

热成像技术在橡胶落地检测,识别曾经无法发现或至少难于快速定位的问题中具有明显的效果。对于生产商而言,其投资回报是能够精确发现设计缺陷,降低测试与上市时间。热成像的另一优势是:工程师可看清电路板的完整热图,每个像素对应一个温度点。无需担心在错误之处安装热电偶或RTD探针,避免导致错误读数。热图像可以精确显示电路板上温度最高的热点位于何处。

当然,热成像还可用于其它许多研发环节,远不止简单的电路板成像。

 


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