Einsatz einer Wärmebildkamera zur Leiterplatte Diagnose
Sicherlich ist es Ihnen auch schon einmal passiert: Sie schalten einen fertigen Prototypen zum ersten Mal ein und stellen fest, dass die Strombegrenzung des Labornetzteils anspricht. Auch wenn Sie die Strombegrenzung weit über die erwartete Stromaufnahme erhöhen, begrenzt das Labornetzteil immer noch. Wenn es sicher ist, stochern Sie mit dem Finger auf der Platine herum, doch keines der Bauteile fühlt sich heiß an. Auch das Durchmessen mit einem Multimeter zeigt keine Kurzschlüsse, unerwartet niedrige Widerstände oder signifikante Spannungsabfälle an. Was können Sie also als Nächstes tun, um herauszufinden, wo das Problem bei Ihrem neuen Prototyp liegt? Der Titel dieses Artikels lässt es bereits erahnen: Die Antwort liegt in der Nutzung einer Wärmebildkamera.
Anders als der unbeholfene menschliche Finger kann eine Wärmekamera winzige Temperaturunterschiede in ihrem Blickfeld erkennen. Auf diese Weise lassen sich schnell Komponenten mit hohem Stromverbrauch identifizieren. Jedes Bauteil und jede Struktur auf Ihrer Platine, die Strom ziehen, erzeugt Wärme, die eine Wärmebildkamera erfassen kann.
Ein Beispiel: Unten sehen Sie ein Wärmebild eines isolierten Reglers, der über 100 mA bei 5 V zieht. In der rechten oberen Ecke des Bildes sind ein Strombegrenzungswiderstand und eine LED zu sehen. Die LED zieht nur 5,2 mA und ist trotzdem gut vor dem Hintergrund der kälteren Platine zu erkennen, zusammen mit der Leiterbahn, die sie mit Strom versorgt.
Mithilfe einer Wärmebildkamera lässt sich außerdem feststellen, wie gut die Wärme auf die anderen Schichten übertragen wird. Nachfolgend sehen Sie z. B. ein Wärmebild der Leiterplattenunterseite mit dem oben abgebildeten Spannungsregler. Nach einigen Minuten Laufzeit zeichnet sich deutlich die von der Platine aufgenommene Wärme und die Form der Kupferpolygone ab.
Eine Wärmebildkamera bietet auch dann noch Vorteile, wenn Ihre Platine bereits in Betrieb ist. So lässt sich ein Energieversorger, wie der unten abgebildete Schaltregler mit einer verhältnismäßig großen Induktivität, genau überwachen. Gut zu erkennen ist der Unterschied im Emissionsvermögen zwischen dem schwarzen Epoxidkörper der Induktivität und der aufgedruckten weißen Beschriftung im Bild unten.
Im obigen Bild ist auch deutlich zu erkennen, dass der Regler-IC einen Temperaturgradienten aufweist.
Oben sehen Sie ein Wärmebild des Reglers aus einem anderen Winkel, das einen Temperaturunterschied von 2 °C über dem Regler-IC zeigt. Das liegt daran, dass der rechte Bereich des ICs deutlich mehr Kupferanschlussfläche aufweist als die linke Seite, wie im Bild unten zu sehen ist.
DIY-Nahfokus-Objektiv
Ein Problem bei vielen Wärmebildkameras im unteren Preissegment ist der Fix-Fokus. Diese fest fokussierten thermischen Optiken haben Mühe, Objekte abzubilden, die sich sehr nahe am Objektiv befinden, wie z. B. bei einer Platine. Sie sind typischerweise eher für Anwendungen in der Gebäudeinspektion gedacht als für die Untersuchung von Objekten, die im Nahbereich von nur ein paar Zentimetern platziert sind.
Ein Altium-Communitymitglied hat mir berichtet, dass er für seine Kamera eine billige Lasercutter-Linse zur Fokussierung verwendet – und es funktioniert gut. Also dachte ich, ich probiere diese Methode mit meiner relativ preisgünstigen Kamera aus. Da ich bereits einen Laser-Cutter und einige Ersatzlinsen hatte, war es einfach, dies zu testen. Meine Kamera lässt sich im Vergleich nicht ganz so einfach mit einem zusätzlichen Objektiv versehen. Aber mit etwas Klebeband gelang es mir in kurzer Zeit, die Idee auszuprobieren: Es funktionierte wunderbar und bot genug Halt, bis ich eine dauerhafte Lösung habe.
Fokuslinsen für Laserschneider sind in verschiedenen Durchmessern und Brennweiten erhältlich. Der richtige Objektivdurchmesser kann relativ einfach bestimmt werden, da er nur die gleiche Abmessung wie das Kameraobjektiv haben muss. Die Brennweite ergibt sich daraus, wie weit das Objektiv vom Objekt entfernt sein soll, um scharf abgebildet zu werden. Ich verwende für alle Bilder in diesem Artikel ein Objektiv mit 2-Zoll-Brennweite. Mit einem 3-Zoll- oder 4-Zoll-Objektiv hätten Sie jedoch einen besseren Überblick über die gesamte Platine. 1,5-Zoll-Objektive sind ebenfalls verbreitet und würden es Ihnen ermöglichen, einen bestimmten Bereich Ihrer Platine zu untersuchen, wenn Sie die von einzelnen kleinen passiven Komponenten erzeugte Wärme begutachten müssen. Perfekt, wenn Sie mit 0402 oder kleineren Komponenten arbeiten.
Dinge, auf die Sie achten sollten
Obwohl eine Wärmebildkamera ein hervorragendes Diagnoseinstrument ist, kann man mit ihr nur emittierende Materialien untersuchen, nicht aber solche, die langwellige Infrarotstrahlung reflektieren. Dazu gehören die meisten Metalle, Glas und sehr hochglänzende Materialien.
Um möglichst genaue Messwerte von Ihrer Wärmebildkamera zu erhalten, sollten Sie Ihre gesamte Platine mattschwarz lackieren, da dies der Baugruppeoberfläche einen gleichmäßigen Wärmewert verleiht. Lötstellen, Aluminiumkondensatoren, Metallleitungen und die Abschirmung von Metallsteckern reflektieren das Infrarotlicht in nahezu perfekter Weise. Das bedeutet, Sie erhalten nur einen Temperaturmesswert für die vom Objekt reflektierte Wärme. Für eine schnelle Messung zur Fehlerbehebung decke ich die markantesten Metallobjekte auf meiner Platine mit etwas Klebeband ab. Das Klebeband wird dennoch heiß und sendet Infrarotenergie aus, die von der Wärmebildkamera erfasst werden kann, und es lässt sich danach leicht entfernen. Sie könnten Ihre Leiterplatte auch mit einer flexiblen Verpackungsfolie wie Stretchlon vakuumieren oder eine abziehbare Lötschutzfolie auf der Platine verwenden, je nach Ihren speziellen Anforderungen.
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