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APLICACIONES

Cámaras infrarrojas en el desarrollo electrónico

Medición de la temperatura en los componentes más pequeños

Temperaturmessung bei der Entwicklung von Elektronik

En el desarrollo de la electrónica se ha observado una tendencia clara en los últimos años: la densidad de empaquetamiento aumenta. Los smartphones modernos son hoy en día mucho más potentes que hace pocos años sin que hayan aumentado de tamaño. Lo mismo se puede decir para dispositivos informáticos, la electrónica del automóvil o la electrónica de consumo. Durante el desarrollo es igual de importante tener en cuenta el problema térmico. La tecnología de medición infrarroja moderna es un instrumento de ayuda importante en este caso.

En 1965 Gordon Moore ya postuló la regla general que actualmente se conoce como Ley de Moore: dentro de 18 meses se doblará la densidad de integración de los elementos de construcción semiconductores. La potencia cada vez mayor de los semiconductores a consecuencia de ello ha sido la base para desarrollar la moderna infraestructura informática y la digitalización que está presente hoy en día en prácticamente todos los ámbitos de la vida cotidiana.

La potencia perdida genera calor

La densidad de integración cada vez más elevada provoca, además, que la cantidad de calor generada por la potencia perdida en los componentes también sea cada vez mayor. A esto hay que agregar el progreso continuo de la miniaturización, lo cual puede impedir una disipación eficiente del calor. En las aplicaciones en las que, comparativamente, fluyen corrientes elevadas, es cada vez más frecuentes debido al empleo de electrónica de potencia, por ejemplo en tecnología de propulsión. La vida útil de los elementos de construcción semiconductores depende en gran medida de la temperatura. Con un incremento de la temperatura de 10 °C, la vida útil desciende alrededor del 50 %. Por esta razón, los desarrolladores de módulos electrónicos se enfrentan al reto de considerar la respuesta térmica de platinas y componentes.

Las temperaturas de los semiconductores, las placas equipadas o componentes completos se pueden medir perfectamente con ayuda de la tecnología por infrarrojos. El procedimiento de medición funciona de forma rápida, precisa y, sobre todo, sin contacto, algo muy importante en la fabricación electrónica. Durante la medición se debe comprobar qué temperaturas presenta exactamente cada placa de circuitos impresos. Las causas de unas temperaturas excesivas pueden ser muy variadas: componentes defectuosos, pitas conductoras dimensionadas erróneamente o puntos de soldadura mal ejecutados. Para registrar de forma segura las temperaturas de los componentes y las estructuras más pequeñas de una placa de circuitos impresos se necesita una cámara infrarroja con una resolución elevada adecuada. Con dicha cámara se puede determinar exactamente que elemento de construcción de una placa de circuitos impresos presenta temperaturas excesivas.

Distribución térmica de placa base
Distribución térmica de placa base (Imagen: Tomshardware)

Las cámaras infrarrojas se emplean en distintas fases del desarrollo electrónico. Resulta habitual simular de antemano las temperaturas sobre una placa de circuitos impresos con modelos de cálculo térmico. Estos modelos de cálculo se pueden verificar durante la medición en prototipos. Si se producen divergencias, los datos obtenidos por la medición pueden aprovecharse para mejorar los modelos en las simulaciones. Durante las mediciones en prototipos también se pueden identificar aquellos componentes que consumen demasiada energía. De esta forma se pueden detectar errores anticipadamente en el diseño del circuito. También se puede descubrir la interferencia mutua de componentes sobre el circuito impreso.

En la producción a menudo se utilizan módulos suministrados por distribuidores externos. Para poder llevar a cabo un control de calidad de entrada en estos módulos, también se emplea la tecnología de medición infrarroja. Este control se puede realizar sobre el 100 % o en muestras aleatorias. También en el control final en el marco del control de calidad de los módulos terminados o las placas de circuitos impresos se emplean cámaras infrarrojas. De este modo se pueden identificar, por ejemplo durante las pruebas de estabilidad, componentes o módulos defectuosos.

Selección de la cámara infrarroja adecuada

Para poder reproducir las pequeñas estructuras de los módulos electrónicos, se necesitan cámaras infrarrojas de alta calidad. Las modernas y potentes cámaras infrarrojas funcionan por lo general con una matriz de bolómetros miniaturizados que se agrupan en un chip. Este detector FPA de microbolómetros (Focal Plane Array) puede estar compuesto de hasta más de 2 millones de píxeles. Los bolómetros mismos tienen un tamaño de 12 µm x 12 µm hasta 35 µm x 35 µm y tienen un grosor de 0,15 µm. La resistencia de los bolómetros cambia cuando absorbe radiación térmica. De esta forma se crea la imagen térmica con un valor de medición de temperatura por cada píxel.

Análisis detallado con lente de microscopio
Análisis detallado con lente de microscopio

Cuanto más píxeles tenga un sensor de imagen, más elevada será la resolución posible. Sin embargo, ya que con un número de píxeles más elevado cada bolómetro se hace más pequeño, la radiación térmica procedente de cada píxel es más baja. En consecuencia, los píxeles más pequeños deben ser mucho más detectables para alcanzar la misma resolución de temperatura. Esto exige elevados requerimientos al aislamiento térmico, coeficientes de temperatura, así como un aprovechamiento efectivo de la superficie de los sensores. En la práctica se utiliza una frecuencia de imagen más reducida para así integrar las señales de imagen por más tiempo. Por norma general se puede decir que el número de píxeles, la frecuencia de imagen y la resolución de temperatura no se pueden incrementar de forma independiente entre sí.

Influencia de la óptica

Al igual que en las cámaras de fotos o de vídeo, el sensor de imagen o el número de píxeles no es la única garantía para obtener imágenes de alta calidad. La óptica también desempeña un papel importante. Los objetivos de las cámaras infrarrojas suelen tener una elevada potencia lumínica. Para aprovechar la mayor cantidad posible de radiación térmica y, al mismo tiempo, no verse afectado por las absorciones atmosféricas, se trabaja dentro de un rango espectral de 8 µm hasta 14 µm. Sin embargo, de esta forma ya se entra dentro del rango de tamaño de píxel, de modo que para los objetos muy pequeños, que por ejemplo solo tienen un tamaño de 3 x 3 píxeles, se mide frecuentemente una temperatura demasiado baja. Para determinar temperaturas de forma fiable, la precisión de medición del sistema también debe existir para objetos pequeños. De lo contrario una resolución elevada en relación solo al número de píxeles se aprovecha poco. Además de saber cuál es la estructura más pequeña que se puede distinguir, también es importante conocer el tamaño mínimo que un objeto debe tener en la imagen para poder determinar con seguridad su temperatura.

Si la resolución se limita a un número reducido de píxeles pequeños, se pueden emplear objetivos más pequeños con una longitud focal corta en campos visuales de tamaño estándar. Estos son más económicos, pero tienen la desventaja de que una abertura más pequeña recoge menos luz. Esto se debe compensar, a su vez, mediante sensores más sensibles. El campo visual de la cámara termográfica también depende del objetivo seleccionado y puede situarse entre 6° y 90°. Al incrementarse la distancia entre la cámara y el objeto, aumenta el rango de imagen captado y, en consecuencia, también el recorte de la imagen que se reproduce en un único píxel. La resolución óptica del dispositivo de medición se debe elegir, por tanto, en relación con el tamaño del objeto a medir y la distancia entre el objeto a medir y el sensor. En resumen se puede decir que la óptica y el sensor de una cámara termográfica deben estar adaptados a la tarea de medición y tener una calidad similar para obtener una imagen térmica que tenga una buena resolución, tanto térmica como geométrica.

optris PI 640 con lente de microscopio
optris PI 640 con lente de microscopio

Resulta ideal para mediciones en componentes electrónicos las cámaras infrarrojas PI 450 y PI 640 de Optris. Hay detectores con los tamaños 382 x 288 píxeles (PI 450) y 640 x 480 píxeles (PI 640). Con la óptica de microscopio intercambiable y enfocable [Imagen 2: óptica de microscopio] también podrá captar componentes y estructuras muy pequeñas en una placa de circuitos impresos. El diámetro más pequeño del punto a medir es de 42 µm en el PI 450 e incluso solo 28 µm en el PI 640. Las temperaturas se captan con una precisión de medición de ±2 °C. Con la frecuencia de imagen máxima posible de 125 Hz se pueden visualizar también procesos rápidos. Las dos cámaras infrarrojas graban tanto imágenes como vídeos que se pueden evaluar con el software de análisis gratuito.

Temperatura bajo control

Las cámaras infrarrojas son un instrumento valioso para el desarrollo, la comprobación y la fabricación de componentes electrónicos. Las temperaturas y su distribución también se pueden medir en componentes miniaturizados con elevadas resoluciones. Esto sirve para detectar errores a tiempo durante el diseño y a identificar componentes defectuosos de forma segura. El resultado es un desarrollo más rápido y seguro de la electrónica.