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Thermo-Analysen

Thermografie bei Board-Designs anwenden

29. November 2013, 15:27 Uhr | Von Frank Riedel und Klaus Höing

Planck’sche Abstrahl-Leistungs-Kurven in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ und mit der Oberflächen-Temperatur als Parameter. Die Wien’sche Verschiebung des λ-Maximums ist gestrichelt dargestellt.

Der Einsatz von Wärmebildkameras ist sowohl bei der Hardware-Entwicklung als auch in der Qualitätssicherung sowie in der Produktion durchaus sinnvoll. Im Service oder bei einer Reparatur kann die Messung mit einer Wärmebildkamera zudem auch Aufschluss über etwaige Störquellen liefern.

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Während der Entwicklung einer elektronischen Schaltung und der zugehörigen Platinen wird in der Vorbereitung viel Zeit in das Design und die Anordnung der Bauteile investiert. Zur Kontrolle der thermischen Belastungen wird großer Aufwand z.B. mit Thermoelementen zur Temperaturmessung betrieben, um die Sicherheit und Funktion der Schaltung zu gewährleisten. In diesem Zusammenhang spielt die Wärmeentwicklung und die Wärmeableitung durch Kühlkörper eine nicht unerhebliche Rolle.

Fragen, die sich jeder Entwicklungsingenieur zu seinem Design stellen muss:

- Passt der Abstand der Leiterbahnen?

- Sind die Bauteile richtig dimensioniert?

- Sind die Kühlkörper richtig berechnet?

- Wo sind Hot Spots auf der Platine?

- Wie sind die Temperaturverläufe?

- Wie wirken sich unterschiedliche Leistungen auf die Bauteile aus?

Diese können mit einer Wärmebildkamera beantwortet oder kontrolliert werden. Nicht auszudenken, welche Konsequenzen eine Fehleinschätzung dieser Fragen hat oder welcher Aufwand zur Korrektur von Auffälligkeiten betrieben werden muss. Das Entwicklungsteam – aber auch die Qualitätssicherung – muss sich jedenfalls spätestens nach dem Prototypenstadium sicher sein, dass das Design auch wärmetechnisch ausgereift ist.

Grundlagen der Thermografie

Das komplette Spektrum für Wärmebildkameras umfasst den Wellenlängen-Bereich der Infrarot-Strahlung von ca. 2 μm bis ca. 13 μm. Die physikalisch-theoretischen Untersuchungen und Ergebnisse lieferte Max Planck (1858 bis 1947). Er stellte eine Gleichung auf, wonach sich die Abstrahlleistung (Leistungsverteilung der Strahlung) in Abhängigkeit von der Wellenlänge eines schwarzen Körpers berechnen lässt, wobei der Parameter die Temperatur des schwarzen Körpers ist. Charakteristisch ist die Verschiebung des Maximums der Abstrahlungsleistung bei unterschiedlichen Körpertemperaturen; je höher die Temperatur, desto kürzer die Wellenlänge λmax beim Maximum der Abstrahlleistung.

Durch Ableitung nach λ und Extrema-Bildung der Planck’schen Gleichung hat Wilhelm Wien (1864 bis 1928) das nach ihm benannte Verschiebungsgesetz gefunden:

λ_max = 2.898/T [µm],

wobei T = absolute Temperatur

Damit lässt sich z.B. für die Sonne berechnen, bei welcher Wellenlänge die maximale Abstrahlleistung abgegeben wird, wenn die Sonne eine Oberflächentemperatur von ca. 6.000 K hat; es errechnet sich zu λmax = 0,480 μm = 480 nm, was wiederum der Orange-Färbung entspricht.

Bild 1 zeigt die Planck’schen Kurven, also die Abstrahl-Leistung im logarithmischen Maßstab über der Wellenlänge (linearer Maßstab) für unterschiedliche Temperaturen mit der gestrichelt eingezeichneten Kurve für die Wien-Verschiebung des Abstrahl-Maximums über der Wellenlänge und der Oberflächen-Temperatur als Parameter.