DE102019214472B3

DE102019214472B3 - Method for determining the spatially resolved thermal structure function and / or time constant spectra of an object

Info

Publication number: DE102019214472B3
Application number: DE102019214472.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Nolte; Nils Jonas Ziegeler; Stefan Schweizer
Original assignee: Fachhochschule Suedwestfalen; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fachhochschule Suedwestfalen; Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-09-23
Filing date: 2019-09-23
Publication date: 2020-12-17
Anticipated expiration: 2039-09-24

Abstract

Bei einem Verfahren zur Bestimmung der ortsaufgelösten thermischen Strukturfunktion und/oder Zeitkonstantenspektren werden nach Einbringen von Wärmeleistung in das Objekt Thermographieaufnahmen der Oberfläche des Objekts in zeitlicher Abfolge gemacht, um den zeitlichen Verlauf der durch die eingebrachte Wärmeleistung verursachten Temperaturverteilung an der Oberfläche zu ermitteln. Aus dem ermittelten zeitlichen Verlauf wird ortsaufgelöst, insbesondere pro Bildpunkt oder gemitteltem Bildbereich der Thermographieaufnahmen, eine Vielzahl an Zeitkonstantenspektren und/oder an gewöhnlichen thermischen Strukturfunktionen berechnet, sodass sich eine zweidimensionale Karte von Strukturfunktionen für das Objekt ergibt, die die ortsaufgelöste thermische Strukturfunktion bildet. Das Verfahren arbeitet berührungslos und ermöglicht die Bestimmung der ortsaufgelösten thermischen Strukturfunktion und/oder Zeitkonstantenspektren auch bereits in einem frühen Stadium eines Herstellungsprozesses eines Objekts, sodass frühzeitig eventuelle Produktfehler erkannt werden können.In a method for determining the spatially resolved thermal structure function and / or time constant spectra, thermographic recordings of the surface of the object are made in chronological order after the introduction of thermal power into the object in order to determine the temporal course of the temperature distribution on the surface caused by the introduced thermal power. A large number of time constant spectra and / or normal thermal structure functions are calculated from the determined temporal progression, in particular for each pixel or averaged image area of the thermographic recordings, so that a two-dimensional map of structure functions for the object results, which forms the spatially resolved thermal structure function. The method works without contact and enables the determination of the spatially resolved thermal structure function and / or time constant spectra even at an early stage of an object's manufacturing process, so that any product defects can be detected at an early stage.

Description

Technisches AnwendungsgebietTechnical field of application

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der ortsaufgelösten thermischen Strukturfunktion und/oder Zeitkonstantenspektren eines Objekts, insbesondere einer elektronischen Baugruppe, bei dem Wärmeleistung in das Objekt eingebracht wird, um einen zeitlichen Verlauf einer daraus resultierenden Temperaturverteilung im oder am Objekt zu ermitteln. Aus dem ermittelten zeitlichen Verlauf der Temperaturverteilung werden dann die Zeitkonstantenspektren und/oder die ortsaufgelöste thermische Strukturfunktion berechnet.The present invention relates to a method for determining the spatially resolved thermal structure function and / or time constant spectra of an object, in particular an electronic assembly, in which thermal power is introduced into the object in order to determine a time profile of a resulting temperature distribution in or on the object. The time constant spectra and / or the spatially resolved thermal structure function are then calculated from the determined time profile of the temperature distribution.

Viele technische Bauteile und Geräte werden auf kleinerem Raum immer kompakter gebaut. Die Leistungsdichte steigt und Wärmequellen liegen dichter beieinander. Aufgrund dieser steigenden Ansprüche wird ein umfassendes Wärmemanagementkonzept immer wichtiger. So müssen die relativen Effekte verschiedener Wärmequellen aufeinander berücksichtigt werden oder es muss garantiert werden, dass der Widerstand eines Wärmepfads hinreichend homogen über eine Fläche ist.Many technical components and devices are being built ever more compactly in a smaller space. The power density increases and heat sources are closer together. Due to these increasing demands, a comprehensive thermal management concept is becoming more and more important. The relative effects of different heat sources on each other must be taken into account, or it must be guaranteed that the resistance of a heat path is sufficiently homogeneous over an area.

Strenge Sicherheitsstandards und hohe technische Ansprüche erfordern engmaschige Qualitätskontrollen bei der Herstellung der Bauteile und Geräte. Kann die geforderte Qualität nicht durch geeignete Produktionsverfahren gewährleistet werden, steigt der Anteil des Produktionsausschusses. Produktfehler, die zu beeinträchtigter Wärmeleitung führen, sollten daher möglichst früh und genau bereits während des Produktionsprozesses erkannt werden können. Um festzustellen, ob die Kühlung eines Prüflings unter verschiedenen Lastbedingungen die Qualitätsanforderungen erfüllen wird, ist eine quantitative Bestimmung des Produktzustandes - unter Umständen nach jedem einzelnen Produktionsschritt - notwendig.Strict safety standards and high technical demands require close quality controls in the manufacture of the components and devices. If the required quality cannot be guaranteed through suitable production processes, the proportion of production rejects increases. Product defects that lead to impaired heat conduction should therefore be able to be identified as early and precisely as possible during the production process. In order to determine whether the cooling of a test item under different load conditions will meet the quality requirements, a quantitative determination of the product condition is necessary - possibly after each individual production step.

Stand der TechnikState of the art

Zur Untersuchung des Wärmepfades elektronischer Bauelemente ist ein technisches Verfahren bekannt, bei dem das Abkühl- bzw. Aufwärmverhalten der Bauelemente erfasst und ausgewertet wird. Hierfür wird das fertiggestellte Produkt elektrisch kontaktiert und das Temperaturverhalten beim Aus- bzw. Einschalten untersucht. Über numerische Verfahren, die unter anderem in der Norm JEDEC JESD51-14 (https://www.jedec.org/standards-documents/docs/jesd51-14-0) näher beschrieben sind, lässt sich aus dem zeitlichen Verhalten zunächst das Zeitkonstantenspektrum und hieraus weiterhin die gewöhnliche thermische Strukturfunktion bestimmen. Die gewöhnliche thermische Strukturfunktion beschreibt den Zusammenhang zwischen den summierten Wärmekapazitäten und Wärmewiderständen eines einzelnen Wärmepfades. Sie stellt eine vollständige Darstellung des durch den Wärmepfad gebildeten linearen dynamischen Systems dar.A technical method is known for examining the heat path of electronic components, in which the cooling or warming behavior of the components is recorded and evaluated. For this purpose, the finished product is electrically contacted and the temperature behavior is examined when it is switched off and on. Using numerical methods, which are described in more detail in the JEDEC JESD51-14 standard (https://www.jedec.org/standards-documents/docs/jesd51-14-0), the time constant spectrum can be determined from the temporal behavior and from this continue to determine the usual thermal structure function. The usual thermal structure function describes the relationship between the summed heat capacities and heat resistances of an individual heat path. It represents a complete representation of the linear dynamic system formed by the heat path.

Zur Temperaturmessung werden bei elektronischen Bauelementen oder Baugruppen üblicherweise temperatursensitive elektrische Eigenschaften der Bauelemente verwendet, beispielsweise die Vorwärtsspannung eines p-n-Übergangs bei einem geringen, vorher festgelegten Prüfstrom. Teilweise werden speziell für diese Messungen auch entsprechende Strukturen in den Schaltungen integriert. Für die elektrischen Messungen ist es zwingend erforderlich, dass die zu untersuchenden Bauteile elektrisch kontaktiert werden. Untersuchungen zu einem früheren Schritt in der Herstellung sind somit oft nicht möglich. Je nach Art des Aufbaus der integrierten Schaltkreise der Bauteile und der Kontaktierung können keine individuellen Bauelemente, sondern nur komplette Baugruppen untersucht werden. Die Messung der Temperatur ist auf den Einbauort des jeweils zur Temperaturmessung genutzten temperatursensitiven Elements beschränkt. Für eine exakte Temperaturmessung muss zudem jeweils vorher eine zusätzliche Messreihe zur Kalibrierung durchgeführt werden, bei der die für die spätere Messung verwendeten elektrischen Eigenschaften in Abhängigkeit bekannter Temperaturen bestimmt werden.For temperature measurement in electronic components or assemblies, temperature-sensitive electrical properties of the components are usually used, for example the forward voltage of a p-n junction with a low, previously defined test current. In some cases, corresponding structures are also integrated in the circuits especially for these measurements. For the electrical measurements, it is imperative that the components to be examined are electrically contacted. Investigations on an earlier step in the production are therefore often not possible. Depending on the type of construction of the integrated circuits of the components and the contacting, no individual components, but only complete assemblies can be examined. The measurement of the temperature is limited to the installation location of the temperature-sensitive element used for temperature measurement. For an exact temperature measurement, an additional series of measurements must be carried out beforehand for calibration, in which the electrical properties used for the subsequent measurement are determined as a function of known temperatures.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Bestimmung einer ortsaufgelösten thermischen Strukturfunktion und/oder ortsaufgelöster Zeitkonstantenspektren eines Objekts anzugeben, das sich unabhängig vom Aufbau des Objekts auch bereits in einem frühen Stadium der Herstellung des Objekts einsetzen lässt.The object of the present invention is to provide a method for determining a spatially resolved thermal structure function and / or spatially resolved time constant spectra of an object that can also be used at an early stage in the manufacture of the object regardless of the structure of the object.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.The object is achieved with the method according to claim 1. Advantageous refinements of the method are the subject matter of the dependent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiment.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird Wärmeleistung mit einer bekannten örtlichen Verteilung und einem bekannten zeitlichen Verlauf in das Objekt eingebracht oder im Objekt erzeugt, während Thermographieaufnahmen der Oberfläche des Objekts in zeitlicher Abfolge gemacht werden, um den zeitlichen Verlauf der durch die eingebrachte Wärmeleistung verursachten Temperaturverteilung an der Oberfläche zu ermitteln. Der zeitliche Verlauf der eingebrachten oder erzeugten Wärmeleistung wird dabei in Form einer oder mehrerer Stufen gewählt, um die transiente Stufenantwort zu ermitteln. Aus dem ermittelten zeitlichen Verlauf der Temperaturverteilung wird dann ortsaufgelöst, vorzugsweise für jeden einzelnen Bildpunkt der Thermographieaufnahmen oder für jeweils über mehrere Bildpunkte gemittelte Bildbereiche, zuerst das Zeitkonstantenspektrum und bei Bedarf anschließend daraus jeweils eine gewöhnliche thermische Strukturfunktion berechnet. Aus der so gewonnenen Vielzahl an gewöhnlichen thermischen Strukturfunktionen wird ein zweidimensionales Feld bzw. eine zweidimensionale Karte von Strukturfunktionen gebildet, die ortsaufgelöste thermische Strukturfunktion. In der vorliegenden Patentanmeldung wird unter einer thermischen Strukturfunktion auch jede Funktion verstanden, die sich von derselben nur um einen Proportionalitäts- oder Streckungsfaktor unterscheidet. Hierbei kann die Berechnung der ortsaufgelösten thermischen Strukturfunktion und/oder Zeitkonstantenspektren auch nur in einem oder mehreren interessierenden Bereichen der Thermographieaufnahmen für jeden Bildpunkt erfolgen. In dem oder den verbleibenden Bereichen kann die Berechnung dann über jeweils mehrere Bildpunkte gemittelt erfolgen.In the proposed method, thermal power with a known local distribution and a known temporal course is introduced into the object or generated in the object, while thermographic recordings of the surface of the object are made in chronological order to show the temporal course of the temperature distribution caused by the introduced thermal output To determine the surface. The time course of the introduced or generated heat output is selected in the form of one or more stages in order to determine the transient stage response. From the determined time course of the Temperature distribution is then spatially resolved, preferably for each individual image point of the thermographic recordings or for image areas averaged over several image points, first the time constant spectrum and, if necessary, then in each case calculated from this a normal thermal structure function. A two-dimensional field or a two-dimensional map of structure functions, the spatially resolved thermal structure function, is formed from the multitude of usual thermal structure functions obtained in this way. In the present patent application, a thermal structure function is also understood to mean any function that differs from the same only by a proportionality or expansion factor. In this case, the spatially resolved thermal structure function and / or time constant spectra can also only be calculated in one or more regions of interest in the thermographic recordings for each image point. In the remaining area or areas, the calculation can then take place averaged over a number of pixels.

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren wird somit der zeitliche Verlauf der Oberflächentemperaturverteilung in Folge einer transienten Stufenantwort des Objekts untersucht. Die Objekte können sowohl elektronische als auch nicht-elektronische Bauteile sein. Die eingebrachte Leistungsstufe als Funktion des Ortes ist dabei bekannt, sodass die Qualität der Wärmeleitung aus den gemessenen Transienten ermittelt werden kann. Aus dem ermittelten zeitlichen Verlauf der Temperaturverteilung wird dann - im Falle der thermischen Strukturfunktion - nicht eine einzige gewöhnliche thermische Strukturfunktion für das gesamte Objekt berechnet, sondern ortsaufgelöst jeweils eine gewöhnliche thermische Strukturfunktion pro Bildpunkt (der Thermographieaufnahmen) oder pro gemittelten Bildbereich. Es wird somit eine Vielzahl an gewöhnlichen thermischen Strukturfunktionen berechnet, aus der dann eine zweidimensionale Karte von Strukturfunktionen gebildet wird, die ortsaufgelöste thermische Strukturfunktion.With the proposed method, the time course of the surface temperature distribution is examined as a result of a transient step response of the object. The objects can be electronic as well as non-electronic components. The power level introduced as a function of the location is known so that the quality of the heat conduction can be determined from the measured transients. In the case of the thermal structure function, not a single ordinary thermal structure function is calculated for the entire object from the determined temporal course of the temperature distribution, but instead, spatially resolved, an ordinary thermal structure function per pixel (the thermographic recordings) or per averaged image area. A large number of normal thermal structure functions are calculated from which a two-dimensional map of structure functions is then formed, the spatially resolved thermal structure function.

Die Berechnung der gewöhnlichen thermischen Strukturfunktion aus dem ermittelten zeitlichen Verlauf der Temperaturverteilung erfolgt über ein numerisches Verfahren, wie es z. B. in V. Szekely, Identification of RC networks by deconvolution: chances and limits, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, vol. 45, no. 3, pp. 244-258, March 1998 oder der Norm JEDEC JESD51-14 näher beschrieben ist und im Folgenden kurz zusammengefasst wird. Es beschreibt ein Verfahren zur Berechnung einer elektrischen Äquivalenzschaltung aus Widerständen und Kapazitäten, die das thermische Verhalten wiedergibt.The calculation of the usual thermal structure function from the determined time course of the temperature distribution is carried out using a numerical method, such as B. in V. Szekely, Identification of RC networks by deconvolution: chances and limits, IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, vol. 45, no. 3, pp. 244-258, March 1998 or the JEDEC JESD51-14 standard and is briefly summarized below. It describes a method for calculating an electrical equivalent circuit from resistances and capacitances, which reflects the thermal behavior.

Zunächst wird aus dem zeitlichen Verlauf der Temperatur T(t) über den bekannten Leistungssprung P die dynamische thermische Impedanz Z(t) = (T(t = 0) - T(t))/P bestimmt. Durch den anschließenden Übergang zu logarithmischen Zeiten z = In(t) ergibt sich für ihre Darstellung a(z) = Z(t = exp(z)).First of all, the dynamic thermal impedance Z (t) = (T (t = 0) - T (t)) / P is determined from the time profile of the temperature T (t) over the known power jump P. The subsequent transition to logarithmic times z = In (t) results in a (z) = Z (t = exp (z)) for their representation.

Die Ableitung dieser Funktion da(z)/dz lässt sich als Faltung des Zeitkonstantenspektrums R(z) mit der Funktion w_z(z) = exp(z - exp(z)) als da(z)/dz = (R ⊗ w_z) (z) darstellen. Um über diese Beziehung das Zeitkonstantenspektrum R(z) zu bestimmen, werden zunächst die aus der Messung bestimmten Werte a(z) numerisch abgeleitet. Hierzu wird ein Savitzky-Golay-Filter oder ein anderes gegen Rauschen unempfindliches, numerisches Verfahren verwendet. Zur Entfaltung der Beziehung (R ⊗ w_z) (z) werden die Werte in den Fourier-Raum überführt. Anschließend werden sie zur Rauschunterdrückung mit einer Fensterfunktion gewichtet. Die Entfaltung kann auch mit alternativen numerischen Verfahren durchgeführt werden, wie bspw. mit der bajesischen Entfaltung. Aus dem Zeitkonstantenspektrum können andere Beschreibungsweisen der elektrischen Äquivalenzschaltung gewonnen werden. Eine davon ist die gewöhnliche thermische Strukturfunktion. Andere Beschreibungen derselben elektrischen Äquivalenzschaltung neben der gewöhnlichen thermischen Strukturfunktion werden hier als äquivalent zu dieser betrachtet.The derivation of this function da (z) / dz can be expressed as a convolution of the time constant spectrum R (z) with the function w_z (z) = exp (z - exp (z)) as da (z) / dz = (R ⊗ w_z) (z) represent. In order to determine the time constant spectrum R (z) via this relationship, the values a (z) determined from the measurement are first derived numerically. A Savitzky-Golay filter or another numerical method that is insensitive to noise is used for this purpose. To develop the relationship (R ⊗ w_z) (z), the values are transferred to Fourier space. They are then weighted with a window function for noise reduction. The unfolding can also be carried out with alternative numerical methods, such as, for example, with the Bajesian unfolding. Other ways of describing the electrical equivalent circuit can be obtained from the time constant spectrum. One of them is the common thermal structure function. Other descriptions of the same electrical equivalent circuit besides the ordinary thermal structure function are considered equivalent to this here.

Um aus dem Zeitkonstantenspektrum die gewöhnliche thermische Strukturfunktion zu berechnen, wird das Spektrum diskretisiert. Aus den Wertepaaren der diskretisierten Funktion wird die komplexe Impedanz der Foster-Repräsentation der elektrischen Äquivalenzschaltung berechnet. Mithilfe einer Partialbruchzerlegung über den euklidischen Algorithmus und der Verwendung von Langzahlarithmetik wird aus der Foster-Repräsentation die Cauer-Repräsentation der elektrischen Äquivalenzschaltung berechnet. Die Widerstands- und Kapazitätswerte der Cauer-Repräsentation ergeben die gewöhnliche thermische Strukturfunktion. Die genauen Berechnungsvorschriften sind in der JEDEC Norm JESD51-14 aufgeführt. Die hier als „gewöhnliche thermische Strukturfunktion“ bezeichnete Funktion wird in der JEDEC Norm als „cumulative structure function (Protonotarios-Wing function)“ bezeichnet.In order to calculate the usual thermal structure function from the time constant spectrum, the spectrum is discretized. The complex impedance of the Foster representation of the electrical equivalent circuit is calculated from the value pairs of the discretized function. With the help of a partial fraction decomposition via the Euclidean algorithm and the use of long number arithmetic, the Cauer representation of the electrical equivalent circuit is calculated from the Foster representation. The resistance and capacitance values of the Cauer representation give the usual thermal structure function. The exact calculation rules are listed in the JEDEC standard JESD51-14. The function referred to here as "ordinary thermal structure function" is referred to in the JEDEC standard as "cumulative structure function (Protonotarios-Wing function)".

Das Einbringen der Wärmeleistung in das Objekt erfolgt vorzugsweise durch elektromagnetische Strahlung, beispielsweise optisch oder induktiv. Ebenfalls ist eine Erwärmung des Prüfobjekts aus sich selbst heraus (z. B. durch elektrische Verluste) möglich. Durch individuelle Wahl der räumlichen Leistungsverteilung der elektromagnetischen Strahlung können beliebige Komponenten oder Bereiche des Objekts gezielt angesprochen und damit untersucht werden.The heat output is preferably introduced into the object by electromagnetic radiation, for example optically or inductively. It is also possible for the test object to heat up by itself (e.g. due to electrical losses). By individually choosing the spatial power distribution of the electromagnetic radiation, any components or areas of the object can be specifically addressed and thus examined.

Das vorgeschlagene Verfahren ist berührungslos und erfordert keine Integration und Kontaktierung spezieller Messelemente in dem zu untersuchenden Objekt. Dadurch kann eine Messung und damit die Bestimmung und Auswertung der ortsaufgelösten thermischen Strukturfunktion zu jedem beliebigen Zeitpunkt eines Produktionsprozesses des Objekts, beispielsweise eines elektronischen Bauteils oder einer elektronischen Baugruppe, durchgeführt werden. Das Verfahren ist auch unabhängig von der Art des Objekts oder der darin enthaltenen Komponenten, die insbesondere nicht elektrisch leitfähig sein müssen. Mit dem Verfahren können auch räumliche Inhomogenitäten innerhalb eines Bauteils erkannt werden. Einzelne Komponenten des Objekts können durch geeignete Wahl der eingebrachten Wärmeleistung auch unabhängig voneinander untersucht werden. Das Verfahren bedarf auch keiner individuellen Kalibrierung. Sofern der Emissionsgrad der zu untersuchenden Oberflächen bekannt ist oder die Oberflächen mit einem Material mit bekanntem Emissionsgrad beschichtet (lackiert) sind, genügt eine einmalige Kalibrierung des Thermographie-Messsystems.The proposed method is contactless and does not require the integration and contacting of special measuring elements in the object to be examined. As a result, a measurement and thus the determination and evaluation of the spatially resolved thermal structure function can be carried out at any point in time of a production process for the object, for example an electronic component or an electronic assembly. The method is also independent of the type of object or the components contained therein, which in particular do not have to be electrically conductive. Spatial inhomogeneities within a component can also be recognized with the method. Individual components of the object can also be examined independently of one another through a suitable choice of the heat output. The procedure also does not require any individual calibration. If the emissivity of the surfaces to be examined is known or the surfaces are coated (coated) with a material with a known emissivity, a one-time calibration of the thermography measuring system is sufficient.

Die so gewonnene ortsaufgelöste Information über den Prüfling kann bildlich dargestellt werden. Eine mögliche Darstellung ist bspw. die ortsaufgelöste thermische Strukturfunktion räumlich untereinander zu vergleichen. Dafür wird für jeden Bildpunkt die summierte Wärmekapazität bei einem festen summierten Wärmewiderstand farblich codiert dargestellt. Wegen der Menge an gewonnener Information steht allerdings noch eine Vielzahl an anderen Darstellungsmöglichkeiten zur Verfügung.The spatially resolved information about the test item obtained in this way can be represented graphically. One possible representation is, for example, to spatially compare the spatially resolved thermal structure function with one another. For this purpose, the totaled heat capacity for each pixel is displayed in color-coded form with a fixed totalized heat resistance. Due to the amount of information obtained, there are a number of other display options available.

FigurenlisteFigure list

Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung nochmals erläutert. Hierbei zeigt:

1 Schematische Darstellung der Bestimmung der ortsaufgelösten thermischen Strukturfunktion eines Objekts gemäß einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens.

The proposed method is explained again below using an exemplary embodiment in conjunction with the drawing. Here shows:

1 Schematic representation of the determination of the spatially resolved thermal structure function of an object according to an embodiment of the proposed method.

Wege zur Ausführung der ErfindungWays of Carrying Out the Invention

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird der zeitliche Verlauf der Oberflächentemperaturverteilung des zu untersuchenden Objekts in Folge einer transienten Stufenantwort auf eine eingebrachte Wärmeleistung mittels Thermographie erfasst und numerisch ausgewertet, um eine zweidimensionale Karte von gewöhnlichen Strukturfunktionen für das Objekt zu erhalten.In the proposed method, the time course of the surface temperature distribution of the object to be examined as a result of a transient step response to an introduced thermal power is recorded by means of thermography and evaluated numerically in order to obtain a two-dimensional map of normal structural functions for the object.

Das für die Messdatenerfassung im vorliegenden Beispiel benutzte System besteht aus einer Infrarot(IR)-Kamera 1 zur bildgebenden Messung der Oberflächentemperatur des Prüflings 6, einer schaltbaren Wärmequelle, im vorliegenden Beispiel durch zwei Halogenlampen 2 repräsentiert, und einer Steuerungselektronik 3. Die IR-Kamera 1 verfügt über einen Snapshot-Detektor und eine Schnittstelle für die externe Synchronisation der Aufnahmen (Trigger). Dies stellt die für die spätere Auswertung notwendige hohe zeitliche Auflösung sicher. Die Zeitpunkte der Thermographieaufnahmen und die Wärmequelle werden durch die Steuerungselektronik 3 gesteuert. Dabei werden die Zeitpunkte der Thermographieaufnahmen so gewählt, dass zunächst eine hohe Aufnahmefrequenz von beispielsweise 300 Hz und im späteren Verlauf eine niedrigere Aufnahmefrequenz von beispielsweise 10 Hz gewählt wird. Der Start der Aufnahmesequenz wird mit dem Zeitpunkt des Schaltens der Wärmequelle (Halogenlampen 2) synchronisiert. Durch die IR-Kamera 1 werden somit zahlreiche Thermographieaufnahmen erhalten, die als Messdaten 4 einer Auswerteeinheit 5 zugeführt werden. Bei dieser Auswertung wird jeweils entweder pro Bildpunkt der einzelnen Thermographieaufnahmen oder pro über mehrere Bildpunkte gemitteltem Bildbereich mit dem oben genannten numerischen Verfahren eine gewöhnliche thermische Strukturfunktion berechnet. Somit ergibt sich eine Vielzahl an gewöhnlichen thermischen Strukturfunktionen, deren zweidimensionale Karte hier als ortsaufgelöste thermische Strukturfunktion bezeichnet wird. Aus der ortsaufgelösten thermischen Strukturfunktion lässt sich dann zukünftiges thermisches Verhalten des Objekts voraussagen.The system used for the measurement data acquisition in the present example consists of an infrared (IR) camera 1 for the imaging measurement of the surface temperature of the test object 6th , a switchable heat source, in the present example by two halogen lamps 2 represents, and a control electronics 3 . The IR camera 1 has a snapshot detector and an interface for external synchronization of recordings (trigger). This ensures the high temporal resolution required for the subsequent evaluation. The times of the thermographic recordings and the heat source are determined by the control electronics 3 controlled. The points in time of the thermographic recordings are selected in such a way that initially a high recording frequency of, for example, 300 Hz and, later, a lower recording frequency of, for example, 10 Hz is selected. The start of the recording sequence is when the heat source is switched on (halogen lamps 2 ) synchronized. Through the IR camera 1 numerous thermographic recordings are thus obtained as measurement data 4th an evaluation unit 5 are fed. In this evaluation, a normal thermal structure function is calculated using the numerical method mentioned above, either for each pixel of the individual thermographic recordings or for each image area averaged over several pixels. This results in a large number of normal thermal structure functions, the two-dimensional map of which is referred to here as a spatially resolved thermal structure function. Future thermal behavior of the object can then be predicted from the spatially resolved thermal structure function.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

11: IR-KameraIR camera
22: Halogenlampen zur ErwärmungHalogen lamps for heating
33: SteuerungselektronikControl electronics
44th: MessdatenMeasurement data
55: AuswerteeinrichtungEvaluation device
66th: PrüflingTest item

Claims

Method for determining the spatially resolved thermal structure function and / or time constant spectra of an object, in particular an electronic assembly, in which - heat output with a known local distribution and a known temporal course is introduced into the object or generated in the object and thermographic recordings of a surface of the object in chronological order be recorded in order to determine a time course of a temperature distribution on the surface caused by the heat output, and a multitude of time constant spectra and / or a multitude of ordinary thermal structure functions is calculated from the determined temporal course of the temperature distribution in a spatially resolved manner in order to obtain a two-dimensional map of ordinary thermal structure functions as a spatially resolved thermal structure function for the object.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that a time constant spectrum and / or an ordinary thermal structure function is calculated from the determined time course of the temperature distribution for each pixel of the thermographic recordings or for each pixel in one or more regions of interest of the thermographic recordings.

Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that a time constant spectrum and / or an ordinary thermal structure function is calculated from the determined time course of the temperature distribution for image areas of the thermographic recordings averaged from several pixels.

Method according to one of the Claims 1 to 3 , characterized in that the heat output is introduced by irradiating the object with electromagnetic radiation.

Method according to one of the Claims 1 to 4th , characterized in that an image is created from the two-dimensional map of normal thermal structure functions, from which different dynamics in different areas of the object can be seen in color-coded form.

Method according to one of the Claims 1 to 5 , characterized in that the time constant spectra and / or the usual thermal structure functions are calculated using a numerical method of the JEDEC JESD51-14 standard.