Lock-In-Thermografie
Die Lock-In-Thermografie (abgekürzt LIT oder LT) ist eine spezielle Form der aktiven Thermografie. Das Messverfahren wird häufig in der Elektrotechnik und Elektronik angewandt, um Fehler in Halbleiterbauelementen und integrierten Schaltkreisen (ICs) thermisch zu lokalisieren. Eingesetzt wird die Lock-In-Thermografie auch bei der Prüfung von Werkstücken, zum Beispiel zur Erkennung tieferliegender Fehler wie Blasen in Kunststoffteilen oder verdeckten Rissen in Fügenähten.
Bei der Lock-In-Thermografie wird das zu untersuchende Objekt durch eine periodische, modulierte Eingangswelle angeregt und die thermische Reaktion des Prüfkörpers ausgewertet. Das zerstörungsfreie Verfahren kann kleinste Temperaturunterschiede detektieren und erlaubt Einblicke in die innere, oberflächennahe Struktur von Materialien.
Vorteile der Lock-In-Thermografie
Bei dem zerstörungsfreien Prüfverfahren wird die Integrität des Prüfobjekts bewahrt.
Ein hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis und eine sehr hohe thermische Auflösung (bis in den µK-Bereich) erlauben die Lokalisierung kleinster Materialfehler.
Die Möglichkeit, thermische Analysen in Echtzeit durchzuführen, erhöht die Geschwindigkeit der Auswertungen.
Analyse von gestapelten Chips, bei denen mehrere Schichten integrierter Schaltkreise gleichzeitig bewertet werden können.
Effektive Fehleranalyse unter Verwendung von Amplituden- und Phaseninformationen.
Anwendung der Lock-In-Thermografie in der Elektrotechnik und Elektronik
Die zerstörungsfreie Prüfung elektronischer Bauteile und Baugruppen mittels aktiver Thermografie ist ein etabliertes Verfahren zur Fehlererkennung und Qualitätssicherung, das von der Prototypenentwicklung bis zur Serienfertigung eingesetzt wird. Insbesondere die Lock-In-Thermografie kann in jeder dieser Phasen hochdetaillierte Informationen liefern. Das Verfahren, welches die präzise Erkennung und Lokalisierung von Defekten erlaubt, wird deshalb häufig zur effizienten Fehleranalyse von komplexen elektronischen Bauteilen angewandt.
Erkennbare Fehlerbilder der Lock-In-Thermografie
Handlings und Fertigungsfehler
Punkt und Linien Kurzschlüsse
Oxidationsfehler
Fehler an aktiven und passiven Bauelementen
Fehler in Stacked Die Packages und Multi Chip Modulen
Die gewonnenen Informationen helfen dabei, die Zuverlässigkeit elektronischer Bauteile erheblich zu verbessern.
Einsatzbereiche der Lock-In-Thermografie
Optimierung des Wärmemanagements bei der Auslegung komplexer elektronischer Schaltungen oder Baugruppen
Qualitätssicherung
Permanenten Überwachung technologischer Parameter
Inline-Prüfung von Produkten in der Fertigung
InfraTec Automatisierungslösungen für die Lock-In-Thermografie
InfraTec bietet das E-LIT-System, das sich besonders für die Analyse von gestapelten Chips eignet. In der Forschung und Entwicklung wird es als leistungsstarkes Werkzeug genutzt, um thermische Fehler zu isolieren und z. B. Geräteausfälle zu bewerten. Mithilfe der Lock-In-Infrarot-Thermografie kann die Zuverlässigkeit und die Leistungsfähigkeit elektronischer Komponenten sichergestellt und so letztlich die Produktqualität verbessert werden.
Für die Untersuchung von Solarzellen und Photovoltaik-Modulen stellt InfraTec seinen Kunden das an die spezifischen Anforderungen dieser Bauteile angepasste PV-LIT-System zur Verfügung.
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So funktioniert die Lock-In-Thermografie
Bei der Lock-In-Thermografie wird das zu untersuchende Objekt durch eine periodische, modulierte Eingangswelle angeregt, die gezielt – meist auf die Oberfläche des Prüflings – einwirkt. Zur Anregung werden Wärme, Ultraschall, Mikrowellen, Wirbelstrom oder Licht (z. B. Blitz-, Halogen- oder Xenonlampe, Laser) eingesetzt.
Die Welle wird beim Eindringen in das Messobjekt absorbiert, wobei eine Phasenverschiebung stattfindet. Enthält das Objekt inhomogene Bereiche wie Blasen, Risse oder Einschlüsse, wird die Welle daran teilweise reflektiert. Einfallende und reflektierte Wellen überlagern sich. Dabei entsteht ein Interferenzmuster der lokalen Oberflächentemperatur.
Durch die kontinuierliche Auswertung der Oberflächentemperaturen des Messobjekts lassen sich Aussagen über seine innere Struktur ableiten. Lokale Temperaturerhöhungen geben Hinweise auf Defekte wie Oxidationsschäden, Kurzschlüsse oder Fehlerströme.
Funktionsprinzip der Lock-In-Thermografie
Anregungsfrequenz: Wichtigster Parameter der Lock-In-Thermografie
Die Anregungsfrequenz spielt in der Lock-In-Thermografie eine zentrale Rolle. Sie muss passend zu den thermophysikalischen Eigenschaften des Objekts (Wärmediffusionsfähigkeit) und zu seiner Dicke gewählt werden. Dabei gilt: Je höher die Anregungsfrequenz ist, desto geringer fallen die Temperaturunterschiede auf der Oberfläche aus und desto geringer ist auch die Tiefe, in der die Wirkungen der Welle noch feststellbar sind. Beides lässt sich jedoch durch eine stärkere Anregung (einen höheren Energieeintrag) zumindest teilweise kompensieren.
Dass die Frequenz während des Messvorgangs konstant bleibt und der Frequenz der reflektierten Welle entspricht, ist ein entscheidender Vorteil der Lock-in-Techniken. Durch die Demodulation des thermischen Signals bei der bekannten Anregungsfrequenz können Störsignale herausgefiltert und das Messsignal isoliert werden. Dadurch zeichnet sich die Lock-In-Thermografie durch ein hervorragendes Signal-Rausch-Verhältnis aus, sodass sich auch kleinste Temperaturunterschiede im µK-Bereich zuverlässig messen lassen.
Anregungsquellen der Lock-In-Thermografie
Grundlegender Einfluss von Materialeigenschaften in der Lock-In-Thermografie
Das Material und die Dichte eines Messobjekts beeinflussen wesentlich die Ausbreitungsgeschwindigkeit thermischer Wellen und deren Eindringtiefe. Man unterscheidet in der aktiven Thermografie zwischen „schnellen“ und „langsamen“ Werkstoffen.
In „schnellen“ Materialien mit hoher Wärmediffusionsfähigkeit wie Kupfer, Aluminium oder Silizium breitet sich die Wärme schnell aus. Dadurch verkürzt sich allerdings auch die zur Verfügung stehende Auswertezeit. Deshalb sind für diese Messungen hochwertige Thermografiekameras mit kurzer Integrationszeit erforderlich. „Schnelle“ Materialien zeichnen sich zudem durch eine geringere Dämpfung der thermischen Welle aus. Damit lassen sich grundsätzlich tieferliegende Bereiche im Material untersuchen.
„Langsame“ Materialien mit niedriger Wärmeleitfähigkeit wie Kunststoffe, Keramiken oder Holz dämpfen thermische Wellen stärker, wodurch nur geringe Eindringtiefen erreicht werden. Defekte können bei der Messung allerdings kontrastreicher erscheinen. Die Verringerung der Anregungsfrequenz erlaubt es jedoch, die Eindringtiefe innerhalb der durch das Material gegebenen Grenzen zu erhöhen.
Wie bei allen thermografischen Untersuchungen hat auch bei der Lock-In-Thermografie die Emissivität der Objektoberfläche einen Einfluss auf die Messung. Allerdings zeigt sich die Methode hier robuster als die passive Thermografie.
Auswertung der thermografischen Untersuchungen
Eine wichtige Voraussetzung für die erfolgreiche Anwendung der Lock-In-Thermografie ist die exakte Synchronisation zwischen der Anregungsquelle und der Infrarotkamera. Die Aufnahmefrequenz der Kamera muss dabei deutlich höher sein als die Frequenz der Anregungsquelle, um den Verlauf des Signals präzise erfassen zu können.
Hauptaugenmerk bei der Lock-In-Thermografie gilt der Phasenverschiebung der thermischen Welle und den Amplitudenänderungen beim Durchgang durch das zu untersuchende Objekt. Diese Messgrößen werden für jedes Pixel des Kamerabildes einzeln ausgewertet.
Phasenbild
Die Phasenverschiebung bzw. der zeitliche Versatz zwischen dem Anregungssignal und der thermischen Antwort an der Oberfläche ist eine besonders aussagekräftige Größe. Liegt der Defekt tiefer, nimmt auch der zeitliche Versatz zu.
Unterschiede in der Phasenlage erlauben aber auch Aussagen über den Aufbau des Messobjektes, denn Materialien mit unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit oder Dichte verzögern die Ausbreitung der Wärme unterschiedlich stark. So kann z. B. eine Delamination oder der Einschluss eines anderen Materials (z. B. Luft, Wasser, Harz) durch eine lokal veränderte Phasenverschiebung sichtbar werden.
Die Messgröße ist besonders nützlich zur Detektion tief liegender oder schwach ausgeprägter Fehler. Dabei ist die Phasenverschiebung weitgehend unempfindlich gegenüber ungleichmäßigen Emissivitäten, Reflexionen, lokalen Unterschieden der Oberflächentextur oder ungleichmäßiger Erwärmung der Probe – echte Defekte im Inneren lassen sich somit besonders zuverlässig erkennen.
Amplitudenbild
Die Amplitude liefert wichtige Aussagen zu den Eigenschaften des Messobjekts. Luftspalte, wie sie z. B. durch Delaminationen an Verbundwerkstoffen auftreten können, führen zu verringerten Amplituden, weil Luft ein schlechterer Wärmeleiter ist. Auch Einschlüsse anderer Materialien oder Inhomogenitäten im Objekt (z. B. Beschichtungsfehler) bewirken eine Amplitudendifferenz. Daneben liefert diese Messgröße wichtige Hinweise zur Lage eines Defekts. Liegt dieser tiefer im Material, wird die thermische Welle stärker gedämpft und die messbare Amplitude kleiner.
Komplexbild
Ein Vorteil der Lock-In-Thermografie besteht in ihrer prinzipiellen Robustheit. Selbst wenn die Unterschiede bei den Amplitudenmessungen gering sind, zeigt die Phasenverschiebung strukturelle Defekte oder Inhomogenitäten klar an. Um exakte Schlussfolgerungen treffen zu können, werden Phasen- und Amplitudenbild häufig zu einem sogenannten Komplexbild zusammengeführt und beide Messgrößen gemeinsam ausgewertet.
Entwicklung der Lock-In-Thermografie
Die Lock-In-Thermografie wurde erstmals 1988 zur Untersuchung von Mikrorissen in einer elektrisch beheizten Kupferfolie auf Polyimidsubstrat eingesetzt.
Später erlangte das Messverfahren große Popularität bei der zerstörungsfreien Prüfung von Materialien wie Faserverbundwerkstoffen für Flugzeugteile, da die Untersuchungen einen „Blick unter die Oberfläche” solcher Komponenten ermöglichen. Ziel dieser und weiterer Anwendungen wie der thermoelastischen oder der ultraschallbasierten Lock-In-Thermografie ist es, bestimmte Inhomogenitäten des untersuchten Bauteils (z. B. Delaminationen, fehlende Schweißverbindungen oder versteckte Hohlräume) zu erkennen.
Erst nach 2000 wurde die Lock-In-Thermografie systematisch für die zerstörungsfreie Fehleranalyse in elektronischen Bauteilen wie Solarzellen und integrierten Schaltkreisen (ICs) eingesetzt. Der Erfolg der LIT bei Tests an elektronischen Bauteilen, Baugruppen und Geräten beruht auf der Tatsache, dass diese im Betrieb selbst Wärme erzeugen und somit lokale Wärmequellen entstehen. Liegen bestimmte Fehler in den Testobjekten vor, führen diese Fehler in der Regel zu einer Veränderung der Verteilung oder zur Entstehung neuer lokaler Wärmequellen, die sich mit der Lock-In-Thermografie zuverlässig detektieren lassen.
