WO2023232461A1 - VERFAHREN ZUM FESTSTELLEN EINES THERMISCHEN QUALITÄTSMAßES EINES PROBENKÖRPERS - Google Patents

VERFAHREN ZUM FESTSTELLEN EINES THERMISCHEN QUALITÄTSMAßES EINES PROBENKÖRPERS Download PDF

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WO2023232461A1
WO2023232461A1 PCT/EP2023/063152 EP2023063152W WO2023232461A1 WO 2023232461 A1 WO2023232461 A1 WO 2023232461A1 EP 2023063152 W EP2023063152 W EP 2023063152W WO 2023232461 A1 WO2023232461 A1 WO 2023232461A1
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PCT/EP2023/063152
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Volker Hagemann
Christoph Weber
Joachim Weber
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Schott Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/72—Investigating presence of flaws
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/38—Concrete; ceramics; glass; bricks
    • G01N33/388—Ceramics

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining a thermal quality measure of at least one area of a test specimen.
  • Thermographic methods for determining the thermal properties of a test specimen are known from the prior art.
  • the so-called laser flash method can be used for this. This makes it possible, for example, to measure the heat diffusion or thermal conductivity of the material of a test specimen and thus determine the quality of the test specimen, for example in relation to a specific application.
  • the object is achieved by the invention according to a first aspect in that a method for determining a thermal quality measure of at least one area of a test body, the method comprising:
  • Determining a quality characteristic value for each sub-area based on the first temperature measured for the respective sub-area and a reference temperature of the sub-area as well as the light output of the irradiation light incident on the respective subarea is proposed.
  • the invention is therefore based on the surprising finding that evaluating the local, light-induced heat flux densities for individual local areas of the surface of a test specimen provides a particularly reliable and efficient way of determining a thermal quality measure of a test specimen.
  • Information on the local, light-induced heat flux densities can in turn be determined based on at least the temperatures and reference temperatures that exist locally in the individual sub-areas, taking into account the incident light output. This means that a thermal quality measure can be determined through easy-to-perform local temperature measurements for the individual sub-areas. Due to the division of the surface into sub-areas, this is even spatially resolved. Since the method also works without contact and therefore without destroying the test specimen, the method can be used particularly efficiently.
  • the method can therefore be used to determine, in particular, changes in the heat input and/or heat transport within the test specimen from the outside in a spatially resolved manner. This allows a spatially resolved thermal quality measure to be recorded for the sample body.
  • This quality measure can, for example, indicate thermal hotspots, i.e. places of potential or actual overheating. This makes it possible to identify anomalies in or on the test specimen.
  • the hotspots can exist within locally limited area and/or volume areas of the test specimen.
  • Thermal hotspots are particularly critical in luminescence converter arrangements, in which light of a specific wavelength is irradiated and light converted in frequency is re-emitted by the arrangement. In such converter arrangements, thermal hotspots with the onset of irradiation lead to locally excessive and undesirable heating of the test specimen.
  • Such luminescence converter arrangements consist, for example, of a converter material which is applied to a heat spreader using a solder or adhesive layer on the back.
  • the converter material can be irradiated on the front with light, which is partially absorbed by the arrangement, resulting in heat input into the arrangement.
  • local overheating can be caused by poor heat connection between two components, but also by increased heat generation in the component.
  • the proposed method is therefore particularly suitable for detecting potential “hotspots” of the test specimen, such as in particular an optical or optoelectronic component, which can lead to thermally induced failure of the respective component or parts thereof during regular operation of the test specimen.
  • the test specimen can then be sorted out or repaired.
  • the proposed method is actually based on determining the so-called opto-thermal impedance (unit [K m 2 /Watt]), in particular completely or at least individual of the necessary intermediate steps thereof.
  • This quantity describes the, in particular local, temperature increase (unit [K]) of the surface of the sample body, which it experiences when it is irradiated with a predetermined irradiance (unit [Watt/m 2 ]).
  • the opto-thermal impedance of a converter arrangement is determined by the heat generation in the converter, the heat transport through the converter and the thermal connection of the converter to the heat sink.
  • the heat generation in the converter is proportional to the absorption of the irradiated excitation light, reduced by the emission of the light generated by luminescence conversion.
  • a converter material that has strong diffuse backscattering of the irradiated light less light is absorbed and therefore less heat is generated.
  • a luminescence converter arrangement constructed with this has a lower opto-thermal impedance than an arrangement with a weakly scattering converter material if the other geometric, optical and thermal properties of the arrangement are identical.
  • the heat transport through the converter is largely determined by the thermal conductivity and the thickness of the converter material.
  • a converter arrangement with a thicker converter material shows a higher opto-thermal impedance than an identical arrangement with a thin converter material.
  • a converter arrangement with a converter material with a flat thermal conductivity shows a higher optical thermal impedance than an identical arrangement with a converter material with better thermal conductivity.
  • the thermal connection of the converter to the heat sink is determined by the material used (e.g. adhesive or solder) but also by the thermal resistance of the interfaces. Therefore, an arrangement with a glued-on luminescence converter has a higher opto-thermal impedance than an arrangement with a soldered-on luminescence converter.
  • heat generation can be locally increased due to defects on the surface or in the volume of the converter material.
  • the thermal connection of the converter to the heat sink can also be disrupted by bubbles in the adhesive or solder layer.
  • the first temperature and the reference temperature precisely make it possible to quantify and/or qualify the relevant temperature increase generated by the irradiation.
  • the temperatures required for this can be measured very easily and very quickly and yet reliably.
  • the first temperatures of all sub-areas can be measured in a short time, for example in a few seconds or even less than a second. This makes the process very efficient in its implementation. It can therefore also be used in quality control and quality assurance, as a large number of test specimens can be tested in a short time. For example, more than 60, more than 360, more than 720, more than 1800, or even more than 3600 test specimens per hour can be tested using the proposed method, thus thermal quality measures can be determined for the individual test specimens.
  • the light output of the irradiation light does not have to fall homogeneously onto the sample, but can have any spatial pattern.
  • the surface of the test specimen does not have to be evenly illuminated.
  • the light output attributable to the individual sub-areas can be determined separately for a specific light source. This can be calculated, for example, from the product of the average irradiance [W/m 2 ] and the size of the partial area [m 2 ].
  • the proposed method also allows a variety of different causes of impending local overheating to be identified during a test.
  • the method therefore makes it possible to obtain a reliable indicator for defective test specimens. Because at least it depends on the temperatures determined. All causes that lead to a temperature change, such as a changed heat flow due to an anomaly in the sample, can therefore be determined using the method. However, it is particularly advantageous that not only anomalies that can be attributed to poor thermal conductivity can be detected, but also those that can be attributed to increased absorption and thus increased heat input. This means that a very comprehensive thermal quality measure can be determined with the proposed method.
  • a deviating heat flow that exists at least locally does not necessarily have to represent an anomaly in the sense of damage.
  • This can also be a material property of the sample body, so that the heat flow can also be determined as a thermal quality measure and thus enables conclusions to be drawn about the material property.
  • the temperature change can be determined in a spatially resolved manner. This makes it particularly easy to assign a temperature change to a specific physical area of the test specimen. In this way, if the structure of the test specimen is known, the cause of a local hotspot can be found particularly easily based on the measurements carried out. For example, poor heat transfer, bubble inclusion, and/or an area of increased absorption in the sample material can be found to be the cause.
  • the proposed method can be applied both to homogeneous test specimens and to test specimens that have or represent composites or layered materials. Sample bodies with thermal interface materials are also easily accessible using the proposed method. The proposed method thus overcomes existing limitations of the state of the art.
  • the proposed method does not require extracting thermal material data such as thermal diffusion or thermal conductivity from recorded measurement data, as is sometimes necessary with conventional methods in thermography. Instead, all that is necessary is at least temperature measurements that can be carried out very easily and reliably, as well as characteristics of light output.
  • the proposed method also makes it possible to determine the quality of a test specimen in relation to a specific application, including other properties that do not have to be limited to thermal properties.
  • this can be, for example, the diffuse light reflection or the light conversion efficiency, which, together with the thermal properties, determines the irradiation resistance of the test specimen.
  • a sample body comprises optical, optoelectronic and/or electronic components.
  • the test body alternatively or additionally has or represents at least one electronic assembly.
  • a test body alternatively or additionally comprises several layers of at least partially different materials.
  • Determining the thermal quality measure can be done manually or automatically.
  • the thermal quality measure represents a heat distribution within the sample body.
  • the thermal quality measure can, for example, be explicitly determined based on the quality parameters. Therefore, the method preferably comprises: determining the thermal quality measure based on the determined quality parameters.
  • the thermal quality measure can be used for the entire sample body or for part of the Test specimen apply. For example, the determination of the thermal quality measure can be limited to a central area of the test specimen.
  • the method can include: characterizing and/or classifying an anomaly or a thermal property of the sample body, in particular based on the quality parameters. Characterization can include, for example: determining a spatial extent of the anomaly, in particular within the sample body, and/or based on the quality parameters. Classifying may include, for example: determining a type of anomaly and/or determining a defect in the specimen. The classification can then preferably further comprise: assigning one or more elements of the real sample body to the anomaly subregions, and in particular determining these elements as defective. For example, the assignment can be based on spatial proximity and/or probability values.
  • An anomaly sub-area is preferably a sub-area for which a quality parameter was determined which indicates the presence of an anomaly for the sub-area.
  • an anomaly subarea is in spatial proximity to a bonding transition
  • the anomaly detected for such a subarea can be assigned to the bonding transition.
  • Such an anomaly can then be classified, for example, as a bonding transition anomaly.
  • a temperature such as a first temperature or reference temperature
  • a temperature can alternatively or additionally also be a measure of a temperature.
  • the measurement can be converted into an absolute temperature value in Kelvin, for example using reference tables and/or conversion rules. If the respective temperature represents a measure of an absolute temperature, the temperature can be determined in a variety of ways. And also with means that do not originally allow temperature measurement. For example, one measure is sufficient if absolute temperature values are not important, but rather a comparative consideration of several measures is carried out or an evaluation is based on them.
  • a measure of a temperature can, for example, be a qualitative measure of a temperature in Kelvin.
  • a measure of a temperature can, for example, also be a temperature with an unknown offset. This is particularly suitable for comparisons between several of these temperatures.
  • the irradiation light can be provided using a laser.
  • the exit area of the laser light is preferably round or rectangular.
  • the laser light emerges from a fiber with a round or rectangular cross section.
  • the irradiation light can be shaped using optics and/or directed in the direction of the sample body.
  • the optics can have at least one converging lens and/or at least one diverging lens.
  • the light spot can preferably be round or angular, in particular rectangular or square.
  • the thermal quality measure can be carried out for at least one area of the sample body and/or individually for several areas of the sample body. For example, the quality parameters of the sub-areas in the individual areas can be used. By determining the quality measure, an anomaly can be detected and/or localized.
  • the irradiation light preferably has a wavelength or a wavelength range in the area of application of the sample body, in particular of the optical component.
  • the light may have wavelengths in the visible spectral range, preferably in the blue spectral range.
  • the light can alternatively or additionally also have wavelengths from the non-visible spectral range, such as from the UV spectral range, from the X-ray spectral range and/or from the IR range.
  • the sample body has or consists of glass, glass ceramic, phosphorus in glass (PIG) and/or ceramic; and or
  • the sample body has or represents at least one luminescence converter arrangement or parts thereof, and wherein preferably the luminescence converter arrangement has at least one ceramic luminescence converter, in particular comprising at least one ceramic substrate, such as at least one cerium-doped YAG and/or LuAG ceramic substrate, and/ or has at least one heat spreader, preferably made of copper, aluminum and / or ceramic.
  • the sample body includes a part that is exposed to an irradiance and a base for this part, typically a luminescence converter and a heat spreader.
  • the entire sample body can be transparent (for transmissive applications) or non-transmissive (for proficientsive applications).
  • the transmissive structure can differ from the remissive structure in that in the former some or all components are transparent. Therefore, all or some parts of such test specimens do not contain any metallic solder or an Ag layer or the like.
  • the adhesive layer between the luminescence converter and the heat spreader is also at least partially transparent. Epoxy or silicone adhesives can be used.
  • one or more optical coatings for example an anti-reflective (AR) layer and/or an optically smoothing layer
  • luminescence converter preferably ceramic converter (monolithic and polycrystalline), alternatively: phosphorus in glass (PIG), phosphorus in ceramic (PIC)
  • one or more optical layers e.g. an Ag layer or other HR layers, and/or optically smoothing layers, preferably Ag layer
  • Connecting layer metallic solder, solder glass and/or filled or unfilled adhesives (layer thickness of 5 to 70 pm, preferably 10 to 60 pm, more preferably 15 to 50 pm and particularly preferably 20 to 50 pm).
  • Heat sink in certain embodiments it can be sufficiently reflective so that the HR layer can possibly be dispensed with, but then the connecting layer must be transparent
  • Example of an exemplary transmissive structure of a test specimen seen from the light incidence side is shown in FIG. 1 .
  • optical coatings for example an anti-reflective (AR) layer and/or an optically smoothing layer 2.
  • luminescence converter preferably ceramic converter (monolithic and polycrystalline), alternatively: phosphor in glass (PIG), phosphor in Ceramic (PIC), Bonded Phosphor Powder Layer, Single Crystal Converter, 3.
  • Connecting layer mandatory transparent, adhesive, solder glass, non-transparent fasteners also possible for lateral fixation
  • transparent heat sink e.g. B. sapphire or non-transparent (e.g. metallic) heat sink at the edge of the transparent area.
  • the method is particularly suitable for test specimens in the form of luminescence converter arrangements.
  • Such arrangements serve to convert irradiated light (such as blue light) into other wavelength ranges (such as yellow and/or green light) using photoluminescence.
  • Such arrangements are used, for example, in laser-excited luminescent light sources. With such arrangements, the method can be used to detect unexpected failure of the arrangement and thus of the light source at an early stage and thereby avoid it.
  • the method can be used particularly well in the area of luminescent light sources and/or the production of parts thereof.
  • a luminescence converter arrangement has an absorption of the irradiation light of 30% or more, preferably of 50% or more.
  • a luminescence converter assembly preferably includes a ceramic substrate bonded to a heat spreader.
  • a luminescence converter arrangement has along the stacking direction, in particular in direct succession: a ceramic substrate, a coating, in particular on the back, of the ceramic substrate, a connecting layer, for example a solder layer and/or adhesive (optionally filled adhesive), and/or a heat spreader.
  • the ceramic substrate has an anti-reflective coating on the main side, in particular the front side, facing away from the coating, in particular on the back.
  • the back coating can be a silver coating, i.e. contain silver.
  • the luminescence converter arrangement can contain further layers with optical and/or thermal and/or mechanical functions, such as silver mirror layers, gold mirror layers, dielectric layers, smoothing layers and/or layers to improve adhesion.
  • the luminescence converter arrangement has one or more optical coatings on both sides of the ceramic substrate, for example anti-reflective layers, dichroic layers, and/or HR layers (highly reflective layers).
  • the main side is the largest side surface of the ceramic substrate.
  • the ceramic substrate can have one or more, in particular two, main sides.
  • the solder layer preferably has a thickness of (a) at least 5 pm, preferably at least 15 pm, preferably at least 20 pm, (b) at most 100 pm, preferably at most 50 pm, preferably at most 40 pm, preferably at most 35 pm, and/or ( c) between 5 pm and 100 pm, preferably between 20 pm and 60 pm, preferably between 20 pm and 55 pm, preferably between 25 pm and 35 pm.
  • the coating preferably has a thickness of (a) at least 0.1 pm, preferably at least 1 pm, preferably at least 5 pm, preferably at least 8 pm, (b) at most 30 pm, preferably at most 20 pm, preferably at most 15 pm, preferably at most 10 pm, and/or (c) between 0.1 pm and 30 pm, preferably between 1 pm and 20 pm, preferably between 5 pm and 15 pm, preferably between 8 pm and 12 pm.
  • the sample body in particular the luminescence converter arrangement, can have transparent adhesive.
  • Heat sinks can also be provided in the form of a reflector. At least some of the individual parts of a test specimen can be glued together.
  • overheating can be caused by poor heat dissipation and/or heat bonding of the converter material (i.e. the ceramic substrate) to the heat spreader (i.e. poor thermal impedance), but also by increased heat generation (i.e. reduced light conversion) in the component .
  • the converter material i.e. the ceramic substrate
  • the heat spreader i.e. poor thermal impedance
  • increased heat generation i.e. reduced light conversion
  • a thermal hotspot can be caused by a) the heat dissipation within the test body being disturbed, b) the light absorption within the test body or on the surface of the test body being locally increased, and c) the light conversion within the test body being locally disturbed .
  • the functionality of the test piece can then be impaired because local heat development occurs in the test piece, which can ultimately even lead to its destruction. All of these different causes of a thermal hotspot can be identified using the proposed method, even if there are combinations of these causes. This represents an advantage over conventional thermography, with which the cause of the disturbed heat dissipation mentioned under a) can only be identified.
  • the method can therefore preferably be used to determine the opto-thermal impedance of a luminescence converter arrangement in a spatially resolved manner.
  • This size was found to be an extremely reliable size with which the suitability of a component for use in a laser-excited light source can be assessed.
  • the maximum irradiance with which the luminescence converter arrangements may be subjected can then be estimated very advantageously.
  • optical and thermal contributions to the opto-thermal impedance are optionally even possible to separate the optical and thermal contributions to the opto-thermal impedance, provided this is of particular interest, for example, for the more detailed determination of the quality measure and/or for the characterization and/or classification of an anomaly.
  • the proposed method is particularly suitable for the characterization of so-called static luminescence converter arrangements (sometimes also just called static converters).
  • static luminescence converter arrangements sometimes also just called static converters.
  • These are in particular ceramic luminescence converter arrangements made of YAG or LuAG ceramic substrates doped with cerium (sometimes also referred to as ceramic plates).
  • These plates are optionally coated on the back at least in some areas with a silver layer and are preferably arranged on a heat spreader made of, for example, copper, especially soldered on, but also glued.
  • the luminescence converter preferably comprises at least one luminescent material which is able to at least partially convert incident light of a certain wavelength into light of a different wavelength.
  • luminescent materials which are in particular nitrides and/or garnets, which comprise at least one activating element, for example europium and/or cerium.
  • These can advantageously be ceramic luminescent materials (hereinafter also referred to as optoceramics) or luminescent materials in which phosphor particles (“phosphorus”) are embedded in an inorganic matrix, preferably “phosphorus in glass” (PIG), “phosphorus in ceramic” (PIC) or “Phosphor in Inorganic” (Pli), preferably ceramic luminescent materials.
  • the luminescence converter arrangement is advantageously a static converter arrangement or a dynamic converter arrangement (hereinafter also called phosphorus wheel).
  • the luminescence converter arrangement can be operated transmissively or remissively.
  • the luminescence converter arrangement is operated in remission.
  • a heat spreader can, for example, represent and/or have a means, in particular a mechanical means, which promotes and/or effects a heat flow between two elements, which are each connected to the means in a heat-conducting manner.
  • a heat spreader can be transparent or non-transparent to the irradiation light.
  • a metal and/or ceramic-containing heat spreader can be provided.
  • a heat spreader can have Cu, aluminum, sapphire, ceramic, glass ceramic, glass and/or a plastic as a material.
  • a Cu ceramic sandwich can also be provided as a heat spreader.
  • the heat spreader can (for static converters) be a permanently mountable body or (for phosphor wheels) a body that is movable in use, e.g. rotating, but whose optothermal impedance can preferably also be measured in a stationary state.
  • These converters are preferably used in laser-excited luminescent light sources, where they are irradiated with blue light. Part of the irradiated blue light output is converted, for example, into yellow and/or green light by photoluminescence. Another part is converted into heat, which is dissipated via the heat spreader.
  • the heat spreader is preferably mounted on a heat sink in order to be able to dissipate the heat supplied.
  • (blue) light falls on the surface of the ceramic substrate. A small portion of the light is reflected, but a majority of it penetrates the substrate. Part of the main part is diffusely reflected and another part is absorbed. Part of the absorbed light (or its power) is converted into emitted luminescent light and another part generates heat in the substrate material.
  • the incident light (for example blue) can also be absorbed in the transition area to the heat spreader and generate heat there.
  • the heat is then preferably led to a heat sink, for example via the heat spreader.
  • a heat sink for example via the heat spreader.
  • Thermal paste and/or thermal pads may be provided. Heat transfer via heat radiation or heat convection as a result of cooling of the surface is neglected here.
  • the sample body preferably has a luminescence converter arrangement in the form of a static luminescence converter arrangement.
  • a dynamic converter is understood to mean, for example, a converter arrangement in which the converter material is moved relative to the irradiation light. This happens, for example, with so-called phosphor wheels, where, for example, an annular converter is applied, in particular glued, to a mirrored, rotating metal disk.
  • the ambient air can advantageously be viewed as a heat sink which, despite the poor thermal conductivity, is capable of good heat dissipation from the phosphor wheel due to the large surface area of the phosphor wheel.
  • test specimens particularly in the form of luminescence converter arrangements, such as static converters
  • various types of local overheating can be determined using the proposed method. For example, those caused by poor thermal contact resistance between the converter and the heat spreader. But also those that are caused by locally poor thermal conductivity or by increased absorption of the incident light. Conventional methods do not allow assessing the cause of overheating with a simple measurement.
  • the main sides of the ceramic substrate have at least an edge length of between 0.5 mm and 50 mm, preferably of between 0.5 mm and 40 mm, preferably of between 2 mm and 30 mm, preferably of between 2 mm and 20 mm, preferably of between 2 mm and 10 mm, preferably between 2 mm and 7 mm, preferably between 3 mm and 5 mm.
  • the main sides of the ceramic substrate have, for example, at least an edge length of at least 0.5 mm, preferably at least 1 mm, preferably at least 2 mm, preferably at least 5 mm, preferably at least 7 mm, preferably at least 10 mm, preferably at least 15 mm, preferably at least 20 mm , preferably at least 25 mm, preferably at least 30 mm, preferably at least 40 mm, preferably at least 50 mm, preferably at least 60 mm, preferably at least 70 mm, preferably at least 80 mm.
  • the main sides of the ceramic substrate alternatively or additionally have, for example, at least one edge length of a maximum of 100 mm, preferably a maximum of 90 mm, preferably a maximum of 80 mm, preferably a maximum of 70 mm, preferably a maximum of 60 mm, preferably a maximum of 50 mm, preferably a maximum of 40 mm, preferably a maximum of 30 mm, preferably a maximum of 20 mm, preferably a maximum of 10 mm, preferably a maximum of 7 mm, preferably a maximum of 5 mm, preferably a maximum of 4 mm, preferably a maximum of 3 mm, preferably a maximum of 1 mm.
  • the ceramic substrate preferably has square or rectangular main sides.
  • the main sides of the heat spreader have, for example, at least an edge length of between 1 mm and 100 mm, preferably between 5 mm and 80 mm, preferably between 15 mm and 60 mm, preferably between 15 mm and 50 mm, preferably between 15 mm and 450 mm, preferably between 20 mm and 40 mm,
  • the main sides of the heat spreader have, for example, at least an edge length of at least 1 mm, preferably at least 10 mm, preferably at least 20 mm, preferably at least 30 mm, preferably at least 40 mm, preferably at least 50 mm, preferably at least 60 mm, preferably at least 70 mm, preferably at least 80 mm.
  • the main sides of the heat spreader alternatively or additionally have, for example, at least an edge length of a maximum of 100 mm, preferably a maximum of 90 mm, preferably a maximum of 80 mm, preferably a maximum of 70 mm, preferably a maximum of 60 mm, preferably a maximum of 50 mm, preferably a maximum of 40 mm, preferably a maximum of 30 mm, preferably a maximum of 20 mm, preferably a maximum of 10 mm, preferably a maximum of 7 mm, preferably a maximum of 5 mm, preferably a maximum of 4 mm, preferably a maximum of 3 mm, preferably a maximum of 2 mm.
  • the heat spreader may have a thickness of between 2 mm and 30 mm, preferably between 2 mm and 10 mm.
  • the thickness can be 3.2 mm or 4 mm.
  • the heat spreader preferably has square or rectangular main sides.
  • the main side is the largest side surface of the heat spreader.
  • the heat spreader can have one or more, in particular two, main sides.
  • the heat spreader can be round in one embodiment. Then it can have a diameter of, for example, between 2 mm and 30 mm, preferably between 4 mm and 20 mm, preferably between 5 mm and 15 mm. Alternatively or additionally, he can then have a thickness of, for example, between 0.5 mm and 10 mm, preferably between 1 mm and 4 mm.
  • the heat spreader can be a wheel made of aluminum or ceramic. In this case, it can have a diameter of, for example, between 20 mm and 200 mm, preferably between 25 mm and 120 mm, preferably between 30 mm and 100 mm.
  • a range of values is specified as “between X and Y”, then in preferred embodiments the boundary values X and Y are included in the range of values. In other words, the range of values then includes the boundaries.
  • the ceramic substrate has a thickness of (a) at least 30 pm, preferably at least 80 pm, preferably at least 100 pm, (b) at most 400 pm, preferably at most 300 pm, preferably at most 250 pm , preferably at most 225 pm, preferably at most 200 pm, and/or (c) between 30 pm and 400 pm, preferably between 60 pm and 300 pm, preferably between 80 pm and 225 pm;
  • the ceramic substrate is at least partially coated on at least one main side, in particular with a silver coating
  • the ceramic substrate in particular with the coated side, is arranged on the heat spreader, in particular soldered onto it, preferably with the formation of a solder layer between the heat spreader and the ceramic substrate.
  • the solder layer preferably creates a mechanical and thermal connection between the heat spreader and the (possibly coated) ceramic substrate.
  • the silver layer is applied over the entire surface of the ceramic substrate.
  • the solder layer is applied over the entire surface of the coated main side of the ceramic substrate.
  • another connecting means can also be provided between the ceramic substrate and the heat spreader in order to fasten both together.
  • an adhesive layer can be provided.
  • the opto-thermal impedance of these partial areas is determined or this is represented by the quality characteristics
  • a property of the sample body is determined as a thermal quality measure
  • local anomalies of the sample body are determined as a thermal quality measure.
  • Thermal hotspots are particularly critical for static converters, so determining their existence is particularly preferred.
  • the method further comprises:
  • Measuring and/or determining a second temperature for each of the sub-areas for which a first temperature was measured wherein the second temperatures represent the reference temperatures of the respective sub-areas or the reference temperatures can be determined and/or determined using the second temperatures.
  • the second temperature can preferably be measured independently of the first temperature. This makes the process particularly flexible and efficient to use.
  • the same second temperatures as reference temperatures for several test specimens. This can reduce the effort involved in the process and increase its efficiency. For example, the thermal quality measures of the test specimens examined within a certain period of time can be determined with the same second temperatures.
  • both the first and the second temperature each represent either an absolute temperature value in Kelvin or a, in particular qualitative or quantitative, measure of a temperature.
  • An absolute temperature value in Kelvin is, for example, 300 K.
  • a qualitative measure of a temperature is, for example, a value on a scale, for example between 1 (cold) and 10 (hot), where the value can be 3, for example.
  • a measure of temperature on this scale with “8” would then allow the conclusion that the location for which the measurement “8” was determined is warmer than the location for which the measurement “3” was determined.
  • the first temperatures of the individual sub-areas are measured at a, preferably common, first time, preferably the first time after the start, during and / or before the end of the irradiation of the surface area of the test body the irradiation light, in particular (a) at least 0.01 seconds, preferably at least 0.03 seconds, preferably at least 0.05 seconds, preferably at least 0.07 seconds, preferably at least 0.1 second, preferably at least 1 second, preferably at least 2 seconds, preferably at least 3 seconds, preferably at least 5 seconds, (b) a maximum of 10 seconds, preferably a maximum of 7 seconds, preferably a maximum of 5 seconds, preferably a maximum of 3 seconds, preferably a maximum of 1 second, preferably a maximum of 0.7 seconds, preferably a maximum of 0, 5 seconds, preferably a maximum of 0.3 seconds, preferably a maximum of 0.1 second, preferably a maximum of 0.07 seconds, preferably a maximum of 0.05 seconds, preferably a
  • the converter in a rough approximation, can be viewed as a body connected to a heat sink with homogeneous heat input.
  • the consideration can be limited to components relevant for the assessment of the thermal quality measure by appropriately selecting the time offset between the start of irradiation and the time at which the first temperature is measured . If the first time is preferably chosen so that it is shortly after the start of the irradiation (or alternatively, it is shortly before the end of the irradiation), a value of between 0.01 seconds and 10 seconds has proven to be particularly preferred , the method is particularly suitable for determining a thermal quality measure, especially of converter arrangements, such as static converters.
  • the reason for this in exemplary arrangements is the different heat capacities of the thin converter chip (i.e. the ceramic substrate) and the large heat spreader (for example made of copper).
  • Thermal modeling for exemplary converter arrangements show that the heating of the ceramic substrate can occur on a time scale that is up to three or four orders of magnitude smaller than the time scale relevant for heating the heat spreader. For example, when exposed to irradiation light, the ceramic substrate can heat up in just a few milliseconds to subseconds, while the copper heat spreader needs several seconds to do this. If the connection of the heat spreader (for example made of copper) to the sample holder that acts as a heat sink is comparatively poor, a constant increase in temperature can even occur over even longer periods of time.
  • the proposed method is also characterized by the fact that a good determination of the thermal parameter, e.g. the opto-thermal impedance, is still possible even in such rather unfavorable constellations.
  • the opto-thermal impedance of a static converter arrangement is measured and/or determined by measuring the temperature increase (Delta T [K]) at a certain irradiance (E [W/mm 2 ]), a time-dependent curve results, which typically shows a temperature increase on two time scales over a measurement period of a few seconds: Immediately after switching on the laser irradiation light, the temperature measured on the sample surface increases suddenly (for example by 5-6 K within 0.1 seconds). Afterwards, the temperature increase is still present, but slowed down significantly. Preferably, all first temperatures are measured at the same first time. Then all the first temperatures measured at this first point in time exist under the same conditions of the test body. This enables particularly reliable statements to be made about the individual quality parameters and thus the thermal quality measure.
  • the first time is preferably between 0.01 and 0.3 seconds, in particular between 0.03 seconds and 0.3 seconds, in particular between 0.05 seconds and 0.3 seconds, after the start.
  • the second temperatures of the individual partial areas are measured at a, preferably common, second time, preferably the second time before the start and / or after the end of the irradiation of the surface area of the sample body with the irradiation light is, in particular (a) at least 0.01 seconds, preferably at least 0.03 seconds, preferably at least 0.5 seconds, preferably at least 0.1 second, preferably at least 1 second, preferably at least 2 seconds, preferably at least 3 seconds, preferably at least 5 seconds, (b) a maximum of 10 seconds, preferably a maximum of 7 seconds, preferably a maximum of 5 seconds, preferably a maximum of 3 seconds, preferably a maximum of 1 second, preferably a maximum of 0.5 seconds, preferably a maximum of 0.1 second, preferably a maximum of 0.05 seconds , preferably a maximum of 0.03 seconds, and / or (c) between 0.01 seconds and 10 seconds, preferably between 0.1 second and 10 seconds, preferably between 0.1 seconds and 5
  • the The influence of the heat spreader can be eliminated particularly easily and reliably and the consideration limited to the ceramic substrate, including connecting layers.
  • the thermal or opto-thermal impedance of the ceramic substrate and connecting layer in particular silver coating and/or solder layer
  • all second temperatures are measured at the same second time. Then all second temperatures measured at this second point in time exist under the same conditions of the test specimen. This enables particularly reliable statements to be made about the individual quality parameters and thus the thermal quality measure.
  • the second time is preferably between 0.01 and 0.3 seconds, in particular between 0.03 seconds and 0.3 seconds, in particular between 0.05 seconds and 0.3 seconds, before the start of irradiating the surface area of the sample body with the irradiation light.
  • each first temperature is a surface temperature of the test body; and/or that every second temperature is a surface temperature of the sample body.
  • the measurement of the first temperatures has:
  • At least a first image of the test body preferably at the first time, by means of at least one first thermal camera, and determining the first temperatures for each partial area from the image information of the at least one first image, preferably (i) the recorded first image having a plurality of Pixels, and each partial area is at least partially covered by at least one pixel, and based on the image information provided by the camera for the individual pixels, such as temperature values, the first temperatures are determined, and / or (ii) the first temperature from several first images is calculated, preferably by extrapolation of the temperature profiles of the individual pixels for the time at which the irradiation light is switched on or off.
  • the first temperatures can be measured particularly reliably with a thermal camera.
  • the use of a thermal camera makes it possible to measure all of the first temperatures at the same time or essentially at the same time.
  • “Substantially simultaneously” preferably means that the youngest and oldest image information recorded and stored by the thermal camera in relation to the first temperatures within a very short period of time, for example less than 1 second, preferably less than 0.1 Seconds, preferably less than 0.05 seconds, preferably less than 0.01 seconds.
  • the first thermal camera has a temporal resolution in the millisecond range or in the sub-millisecond range, for example between 0.1 ms to 100 ms, preferably between 0.1 ms to 70 ms, preferably between 1 ms to 50 ms, preferably from between 5 ms to 50 ms, preferably from between 5 ms to 40 ms.
  • a temporal resolution is preferably achieved with actively cooled thermal cameras.
  • the first thermal camera can also have a bolometer chip camera that represents.
  • This usually has a lower temporal resolution than an actively cooled thermal camera described above.
  • a time constant for the camera's response time can be 10 ms.
  • a bolometer chip camera has proven to be particularly preferred for use in determining a thermal quality measure of converter arrangements. On the one hand, this type of camera is cheap to purchase and maintain (for example, no cooling is necessary).
  • the bolometer chip camera also makes it possible, especially in converter arrangements, to clearly distinguish the thermal time constants of the converter, including the connecting layer, from that of the heat spreader.
  • the first image can have several pixels and different image information is provided by the thermal camera for each pixel. Based on this image information, a first temperature can then preferably be determined for each pixel or taken directly from the image information. The latter is particularly advantageous if the thermal camera provides absolute temperature values for the individual pixels, or a measure of such a temperature. This is very efficient and reliable. Alternatively or additionally, the temperature can also be measured with one or more non-spatially resolved temperature sensors. In this case, the number of partial areas that can be measured in a measuring cycle can be given by the number of temperature sensors.
  • a portion of the surface area may be covered by one or more pixels.
  • each partial area is covered by more than one pixel, for example by at least 5, preferably by at least 9, preferably by at least 25, preferably by at least 49 pixels. If each area is covered by exactly one pixel, the best spatial resolution can be achieved.
  • each partial area is covered by a maximum of 10,000 pixels, preferably a maximum of 1000 pixels, preferably a maximum of 100 pixels, preferably a maximum of 20 pixels, preferably a maximum of 10 pixels.
  • each partial area is between 2 and 10,000 pixels, preferably between 2 and 5,000 pixels, preferably between 2 and 3,000 pixels, preferably between 2 and 1,000 pixels, preferably between 2 and 500 pixels, preferably between 2 and 300 pixels, preferably between 2 and 100 pixels, preferably between 2 and 50 pixels, preferably between 2 and 25 pixels.
  • the first camera preferably has at least 10,000 pixels, preferably at least 50,000 pixels, preferably at least 100,000 pixels, preferably at least 300,000 pixels, preferably at least 500,000 pixels, preferably at least 1,000,000 pixels.
  • the first camera preferably has at most 5,000,000 pixels, preferably at most 3,000,000 pixels, preferably at most 2,000,000 pixels, preferably at most 1,000,000 pixels, preferably at most 500,000 pixels, preferably at most 300,000 pixels, preferably at most 100,000 pixels.
  • the first camera preferably has between 100,000 and 5,000,000, preferably between 100,000 and 2,000,000, preferably between 300,000 and 1,000,000, preferably between 300,000 and 800,000, preferably between 300,000 and 700,000, preferably between 500,000 and 700,000, pixels.
  • a sub-area is covered by more than one pixel, it is optionally possible to determine the first temperature for this sub-area from an average of all temperatures of the pixels in this sub-area. For example, a single sub-area can be covered by four pixels. The thermal camera delivers a temperature T1 to T4 for each pixel. Then the average value of all four temperatures T1 to T4, which can be determined according to (T1+T2+T3+T4)/4, can be used as the first temperature for the sub-range. This allows the result of the measurement can be improved. If a pixel lies only partially within a sub-area, it is preferably treated in the same way as a pixel that lies completely within the sub-area. This makes the process very efficient and yet reliable.
  • the largest edge length of a pixel of a preferred thermal camera, in particular having a macro lens is (a) at least 1 pm, preferably at least 3 pm, preferably at least 5 pm, preferably at least 10 pm, preferably at least 20 pm, preferably at least 25 pm, preferably at least 30 pm, preferably at least 35 pm, preferably at least 40 pm, preferably at least 45 pm, preferably at least 50 pm, (b) a maximum of 100 pm, preferably a maximum of 80 pm, preferably a maximum of 50 pm, preferably a maximum of 45 pm, preferably a maximum of 40 pm , preferably a maximum of 35 pm, preferably a maximum of 30 pm, preferably a maximum of 25 pm, preferably a maximum of 20 pm, preferably a maximum of 10 pm, preferably a maximum of 5 pm, preferably a maximum of 1 pm, and/or (c) between 1 pm and 100 pm, preferably between 1 pm and 50 pm, preferably between 1 pm and 40 pm, preferably between 10 pm and 40 pm, preferably
  • the edge length of a square pixel is 35 pm. This is then the lower limit for the spatial resolution of the opto-thermal impedance. Such a pixel size has proven to be particularly advantageous in terms of costs and benefits.
  • pixel size or the “edge length of a pixel,” this preferably means the corresponding dimension of that part of the real sample that is imaged on a pixel of the thermal camera. This means that what is meant is the dimension of that part of the sample body that is captured by the pixel of the recorded image.
  • the pixel size addressed here can be easily adapted to the respective requirements.
  • the first image is recorded from a main viewing direction.
  • the irradiation light falls on the sample body along a main direction of propagation. It can preferably be provided that the main direction of propagation of the irradiation light incident on the sample body and the main viewing direction of the first thermal camera enclose an angle with one another.
  • the angle is preferably at least 1 degree, preferably at least 10 degrees, preferably at least 20 degrees, preferably at least 30 degrees, preferably at least 40 degrees, preferably at least 50 degrees, preferably at least 60 degrees, preferably at least 70 degrees, preferably at least 80 degrees.
  • the angle is preferably at most 90 degrees, preferably at most 80 degrees, preferably at most 70 degrees, preferably at most 60 degrees, preferably at most 50 degrees, preferably at most 40 degrees, preferably at most 40 degrees, preferably at most 20 degrees.
  • the angle is preferably between 1 degree and 90 degrees, preferably between 5 degrees and 80 degrees, preferably between 10 degrees and 60 degrees, preferably between 15 degrees and 45 degrees, preferably between 20 degrees and 40 degrees.
  • the measurement of the second temperatures has:
  • At least one second image of the sample body preferably at the second time, by means of at least one second and/or the first thermal camera, and determining the second temperatures for each partial area from the image information of the at least one second image, preferably (i) the recorded one second image has a plurality of pixels, and each partial area is at least partially covered by at least one pixel, and the second temperatures are determined based on the image information provided by the camera for the individual pixels, such as temperature values, and / or (ii) the second temperature is calculated from several second images, preferably by extrapolation of the temperature profiles of the individual pixels for the time at which the irradiation light is switched on or off.
  • the second temperatures can be measured particularly reliably with a thermal camera.
  • a thermal camera makes it possible to measure all second temperatures simultaneously or essentially simultaneously.
  • the first and/or second thermal camera is calibrated with a calibration standard.
  • the cameras are preferably calibrated with the same calibration standard. This ensures that the values from both cameras can be combined with each other.
  • the determination of a quality parameter of a sub-area has:
  • the temperature difference is further divided by the light power incident on the respective partial area, (ii) the temperature difference is divided by the quotient of the light output incident on the respective sub-area and its area and/or (iii) the light output of the irradiation light incident on the respective sub-area is taken into account, in particular by dividing the difference in temperatures by the light output becomes.
  • the temperature increase for example as an absolute value in Kelvin or as a measure, which each partial area of the surface area of the test body has experienced as a result of the irradiation with irradiation light can be determined easily and reliably.
  • a larger temperature difference of a sub-area leads to a larger quality parameter of the respective sub-area.
  • a calibration measurement for the irradiance is carried out by measuring the beam profile of the excitation light striking a homogeneous sample body with a camera.
  • the camera can even do that at least be a thermal camera.
  • Normalization can optionally be carried out based on the overall optical performance, which is accounted for by the surface area. This means that at least for each sub-area the information regarding the irradiance is determined in the unit Watt per square millimeter ([W/mm 2 ]).
  • the opto-thermal impedance can then advantageously be determined as a temperature response divided by the standardized power density profile. Or in other words, the opto-thermal impedance corresponds to the temperature increase there as a result of the irradiation for each sub-area divided by the standardized irradiance for this sub-area.
  • determining a quality parameter of a sub-area can include:
  • Calculating the quality characteristic value of the sub-region also based on an emission current density of the irradiation light incident on the respective sub-region, in particular if this is subtracted from the irradiance of the irradiation light incident on the respective sub-region.
  • the measured temperature increase is not related to the total irradiance, but only to the actually absorbed power of the incident light in the respective partial area. This results from the irradiance minus the radiation current density.
  • the emission current density is preferably composed of the Fresnel reflection of the (blue) incident light, the diffuse reflection of the (for example blue) incident light by backscattering in the converter material and the emission of the converted light generated by photoluminescence.
  • the measurement of these variables is possible directly or indirectly using measurement techniques known to those skilled in the art. For example, in separate experiments, a reflectance can be determined as a quotient of radiation current density and irradiance, with the help of which the radiation current density can then be determined from the measured irradiance.
  • the method further comprises: Determining, preferably local, anomalies of the test specimen based on the determined quality characteristics of the partial areas, wherein the determination of anomalies of the test specimen preferably comprises: Determining sub-areas whose quality value exceeds, falls below a limit value and/or runs within defined or definable limits, as anomaly sub-areas, and preferably assigning the anomaly sub-areas to one or more surface and/or volume areas of the sample body and/or characterize and/or classify the anomaly subareas with respect to the type of anomaly, such as in particular delamination, bubble inclusion, particles and/or contamination on the surface, and/or inclusion or contamination in the volume.
  • the detection of anomalies can include: processing, in particular by means of a filter, a result of the evaluation of at least the first temperatures and reference temperatures as well as the incident light power and detecting anomalies on the basis of at least one result of the processing.
  • the filter can, for example, be a filter from the field of image processing and, for example, have an edge detector.
  • a threshold value filter with dynamic threshold value adjustment can be provided as a further filter from the field of image processing. This can be used, for example, to identify pixels or partial areas whose value is a certain factor above the mean or median of an evaluation area. If the number of contiguous pixels or the sum of the pixel values of contiguous pixels exceeds a certain value, there is a local anomaly.
  • the distribution density of the pixel values can also be determined and the value of a specific percentile can be determined. If this is above a limit value, the presence of an anomaly can be identified.
  • One or more anomaly subregions can belong to a single anomaly. For example, several sub-areas may have an elevated temperature due to an anomaly.
  • a single anomaly subregion can belong to more than one anomaly. For example, two anomalies in the same area can lead to increased heating.
  • the surface area of the sample body is homogeneously irradiated with the irradiation light, in particular the irradiance at two different locations of the surface area by a maximum of 20%, preferably by a maximum of 10%, preferably by a maximum of 5%, preferably by a maximum of 1%, is different;
  • the irradiance at each location of the surface area of the sample body (a) at least 0.1 watt/mm 2 , preferably at least 1 watt/mm 2 , preferably at least 3 watt/mm 2 , preferably at least 5 watt/mm 2 , preferably at least 10 watts/mm 2 , preferably at least 30 watts/mm 2 , preferably at least 50 watts/mm 2 , preferably at least 70 watts/mm 2 , (b) at most 100 watts/mm 2 , preferably at most 50 watts/mm 2 , preferably at most 10 watts/mm/mm
  • the irradiation light has light in the visible wavelength range, in particular in the wavelength range from 430 nm to 490 nm, preferably in the wavelength range from 445 nm to 465 nm, and / or comes from a laser.
  • the thermal quality measure of the test specimen can be determined particularly reliably.
  • the incident light comes from the wavelength range in question, it corresponds exactly to the light that is also used in preferred application scenarios in real life. In this way, a practical and sensible thermal quality measure can be determined for real applications, and in particular the anomalies relevant to real applications can be determined.
  • thermometer drop of the irradiated partial areas after the end of the irradiation when determining the measure for a Temperature distribution of the individual sub-areas is taken into account and / or (ii) an averaging and / or extrapolation of the temperature profiles of the individual sub-areas is carried out before, during and / or after switching on the irradiation light and is taken into account when determining the measure of a temperature distribution of the individual sub-areas.
  • a good connection of the heat spreader to the heat sink makes it possible to measure the opto-thermal impedance of the converter well, even with small heat spreaders.
  • thermography Averaging or extrapolating the temperature curves before, during and/or after switching on the light makes it possible to reduce the noise of thermography. This can then optionally also be used to determine the irradiance.
  • a device comprising a light source, such as in particular a laser, for emitting irradiation light and at least one measuring device, such as in particular at least one thermal camera, the device being set up to do this (i ) to carry out a method according to the first aspect of the invention and/or (ii) to carry out at least the following:
  • Determining a quality characteristic value for each sub-area based on the first temperature measured for the respective sub-area and a reference temperature of the sub-area as well as the light power of the irradiation light incident on the respective sub-area, in particular by means of a computing unit further included in the device, is proposed.
  • the device is therefore particularly suitable for carrying out the method according to the invention, or parts thereof.
  • the thermal camera can be the first thermal camera according to the first aspect of the invention. Measuring the second temperatures can be done with the second thermal camera according to the first aspect of the invention.
  • the device therefore optionally also has a further thermal camera.
  • the determination of the thermal quality measure and/or the determination of anomalies in the sample body can be carried out using the computing unit.
  • the computing unit can represent or have a computer.
  • the following (two-part) table shows an overview of the thermal characteristics of exemplary converters and heat spreaders.
  • the thermal resistance R_th is defined for the heat flow through a body from a heat source to the heat sink.
  • R_th ⁇ [K/W_th]
  • Heat flux density dP th dA is generalized in this case:
  • the thermal power is not entered directly, but rather as optical power. It is therefore important to determine the thermal power input from the optical power input.
  • a diffuse reflection occurs in the volume of the converter (typical value: r
  • R_diffus 7% of the input power)
  • the unit Watt is now indexed with W_therm or W_opt.
  • the opto-thermal resistance can now be defined, which indicates the increase in surface temperature with which a sample reacts to an irradiated optical power.
  • thermal impedance can also be locally deteriorated, for example due to bubbles in the solder layer or due to local detachments at the converter-solder interface.
  • FIG. 1a shows a perspective view of a luminescence converter arrangement in a first embodiment
  • 1b shows the luminescence converter arrangement from FIG. 1a in a sectional view
  • 1c shows a sectional view of a luminescence converter arrangement in a second embodiment
  • Fig. 2a is a perspective illustration of the intended use of the luminescence converter arrangement from Figs. 1a-b;
  • Fig. 2b shows the illustration from Fig. 2a as a sectional view and with further details
  • FIG. 3 shows a schematic cross-sectional view of a luminescence converter arrangement with anomalies
  • Fig. 5 is an illustration of a camera image recorded during the process
  • FIG. 6 shows a diagram with the time course of the temperature of a partial area of a test specimen
  • 9a-b illustrations of results of evaluating temperatures of partial areas of test bodies, each with and without taking into account the light power incident on the partial areas;
  • Fig. 10 determined quality parameters for two homogeneous test specimens of different thicknesses.
  • Fig. 11 shows a spatially resolved measurement of the quality characteristics of a test specimen and an X-ray image of it.
  • FIG. 1a shows a perspective view of a luminescence converter arrangement 1 in a first embodiment.
  • 1b shows a sectional view of the arrangement 1.
  • the luminescence converter arrangement 1 is sometimes referred to below simply as the converter arrangement 1 or just as the arrangement 1.
  • the luminescence converter arrangement 1 represents a ceramic luminescence converter for a laser-excited photoluminescence light source.
  • the arrangement 1 therefore has a ceramic substrate 3.
  • the ceramic substrate 3 is coated over the entire surface on one main side with a silver coating 7 (not shown in Fig. 1a).
  • the ceramic substrate 3 is arranged on a heat spreader 5 made of copper by means of a solder connection 9 (also not shown in FIG. 1a).
  • the ceramic substrate 3 has an anti-reflective coating on the other main side.
  • the ceramic substrate 3 has dimensions of 4x4x0.150 mm 3 .
  • the heat spreader 5 has dimensions of 20x20x4 mm 3 .
  • the thickness of the silver layer is 12pm.
  • the thickness of the solder layer is 30pm. The illustration is not to scale.
  • FIG. 1c shows a sectional view of a converter arrangement 1 in a second embodiment.
  • the ceramic substrate 3 is arranged by means of a transparent adhesive layer 10 on a heat spreader 5 made of aluminum, which is provided with a mirror layer 8.
  • This variant of the converter arrangement is advantageous for converter wheels in which the heat spreader consists of a circular aluminum sheet with a central hole.
  • An example is a converter wheel heat spreader with a thickness of 1mm and a diameter of 65mm.
  • Figure 2a shows a perspective illustration of a use of the luminescence converter arrangement 1 from Figs. 1a-b.
  • Fig. 2b shows a sectional view of the illustration with further optional details of the arrangement 1.
  • the ceramic substrate 3 When using the arrangement 1, the ceramic substrate 3 is irradiated with a laser beam 11 in the blue wavelength range. Parts of the incident light beam 11 are converted into yellow light 13 by means of photoluminescence, which is emitted from the ceramic substrate 3. The emitted light 13 passes through optics 15 in the form of a lens. Other arrangements convert the incident laser beam into green or red light, for example. Other geometries for using the arrangement, in which the irradiation light 11 is also guided through the optics, for example, are also possible.
  • At least part of the irradiated light output is used to generate yellow light using photoluminescence. Since the photons of the radiation light 15 generated by photoluminescence have a lower energy than the photons of the irradiation light 11, the irradiated material is inside the ceramic substrate 3 or below it Surface area of the arrangement 1 generates heat, especially in the area of
  • the heat generated in the ceramic substrate 3 is dissipated via the heat spreader 5.
  • the heat spreader 5 can also be connected to a heat sink 6 (shown in FIG. 2b) for further heat dissipation.
  • Figure 3 shows a schematic cross-sectional view of a luminescence converter arrangement 1 with anomalies.
  • the 3 shows an anomaly 17 of the arrangement 1 in the form of a cavity in the solder layer 9.
  • the cavity can be an air pocket, which means that the solder layer 9 is not homogeneous throughout.
  • the 3 shows further anomalies 20 of the arrangement 1 in the form of local absorption centers on the surface or in the volume of the ceramic substrate 3.
  • this can be contamination or an adhering particle.
  • There may be inclusions or impurities in the volume.
  • the anomaly 20 increases the heat input through increased light absorption and thus also creates a thermal hotspot, even if the heat transport to the heat spreader 5 does not have an anomaly.
  • a thermal hotspot can lead to reduced performance of the arrangement 1 or even its destruction. Therefore, such anomalies are undesirable and arrangements affected by them, such as arrangement 1 in FIG. 3, should be detected and sorted out as early as possible.
  • the method according to the invention can be used to detect such anomalies. With the method, a thermal quality measure of the sample body in the form of the arrangement 1 can be determined and, based on this, the existence of an anomaly can be concluded.
  • Fig. 4 shows a structure for carrying out the method according to the invention.
  • the arrangement 1 is only indicated in FIG. 4 with its ceramic substrate 3 and heat spreader 5. And again, the same reference numerals are used for the same features as in the figures. 1a-c, 2a-b and 3 were used.
  • blue irradiation light 27 is emitted via a light guide 23 on an output element 25 with a rectangular cross section and is directed onto the arrangement 1 by means of optics 29 in the form of a lens. A surface area of the arrangement 1 is thus irradiated with the irradiation light 27.
  • the irradiation light 27 is advantageously selected so that its wavelength corresponds to the laser light that is also used when the arrangement 1 is actually used.
  • the arrangement 1, in particular the irradiated surface area, is in turn captured by the recording area of a thermal camera 31.
  • the main viewing direction of the camera 31 and the main propagation direction of the irradiation light 27 include, for example, an angle of 30 degrees.
  • the image section that the thermal camera captures from the arrangement 1 can, among other things, be adjusted, in particular reduced (zoomed out) or enlarged (zoomed in), using an optics not shown in FIG. 4.
  • the thermal camera 31 can take an image of the arrangement 1 at certain times.
  • FIG 5 shows an illustration of a camera image of the arrangement 1 recorded with the thermal camera 31 during the process.
  • the optics of the thermal camera 31 are selected such that the entire ceramic substrate 3 and part of the heat spreader 5 can be seen in the camera image.
  • the camera image is constructed by several pixels 33. Due to the selected optics and the selected relative positioning of camera 31 and arrangement 1 to one another, the ceramic substrate 3 is covered by nine pixels 33 in the present case. The remaining 35 pixels 33 cover the detected part of the heat spreader 5.
  • the number of pixels in the drawing is greatly reduced for clarity.
  • a typical camera image can consist of 640 x 480 or 640 x 120 pixels. In the present case, each pixel covers just a portion of the surface area of the arrangement 1. However, it would also be possible for some or all subareas to be covered by several pixels each.
  • a quality zone is advantageously defined for a ceramic substrate, within which the optothermal impedance must not exceed certain limit values, within which there must be a certain level of minimum thermal quality and / or within which there must be no local anomalies.
  • the thermal camera provides a temperature value for each pixel 33.
  • a temperature value can be assigned to each partial area of the surface area of the arrangement 1 that is currently covered by a pixel 33.
  • Fig. 6 shows a diagram with the time course of the temperature of a portion of the sample body. To be precise, the diagram shows the temperature profile of the central pixel 33 of the ceramic substrate 3 (see Fig. 5).
  • the laser 21 is switched on at a certain time, so that the irradiation of the arrangement 1 with irradiation light 27 then begins.
  • the temperature value After the start of irradiation, the temperature value increases within a period of approximately 0.1 seconds from a value “T2” of approximately 23.3 °C to a value “T 1” of approximately 28.0 °C at time “X1”. . The temperature value then continues to rise, although this rise is noticeably slower and tends towards a limit value, which is of no further interest here. Therefore, the irradiation can be ended after time X1 and many successive measurements can be carried out at very short time intervals.
  • the thermal camera 31 Before switching on, the thermal camera 31 provides a temperature value “T2” of approximately 23.3 ° C for the central pixel 33 at a time “X2”.
  • the temperature values supplied by the thermal camera 31 could also merely represent measurements of a temperature and therefore absolute temperature values are not absolutely necessary.
  • a temperature difference (T1-T2) of 4.7 K was determined. That is, as a result of the irradiation with the incident light 27, the portion of the surface area of the ceramic substrate 3 covered by the central pixel 33 has heated up by 4.7 K.
  • T1-T2 a temperature difference of 4.7 K was determined. That is, as a result of the irradiation with the incident light 27, the portion of the surface area of the ceramic substrate 3 covered by the central pixel 33 has heated up by 4.7 K.
  • the times X3 and X4 lie around the end of the irradiation.
  • Temperature differences can be determined. This allows measurement errors to be minimized.
  • the average value could also be determined from a whole series of radiation pulses in rapid succession.
  • the method according to the invention now provides for dividing a surface area of the arrangement 1 into partial areas.
  • a first temperature is then measured for each partial area at a first time (for example corresponding to time “X1”), which is after the start and during the irradiation of the arrangement 1.
  • a second temperature is measured for each partial area at a second time (for example corresponding to time “X2”), which lies before the start of irradiation of the arrangement 1.
  • This second temperature is the reference temperature of the respective sub-area.
  • a first image is recorded with the thermal camera 31 at the first point in time.
  • a second image was recorded with the thermal camera 31 at a second time.
  • the second point in time occurs before the start of irradiation of the arrangement 1.
  • the thermal camera 31 provides a temperature value for each pixel 33, which is a second temperature value since it was measured for the respective partial area (ie pixel) at the second point in time.
  • the temperature difference is related to the light output of the incident light incident on the sub-area. This takes into account any uneven illumination of the arrangement 1 by the incident light 27. This primarily takes into account that a surface area of an ideal (homogeneous) sample body, onto which less light power is incident, will generally heat up less than a partial area onto which a greater light power is incident.
  • the respective value of the light output can of course be different for the individual sub-areas, i.e. the individual pixels 33.
  • the individual values of the light output can, for example, have been determined by a previous measurement of the irradiation light 27 in a plane of the test body.
  • the quality parameters of the sub-areas and thus a spatially resolved thermal quality measure of the test specimen can then be determined.
  • Anomalies, such as a cavity 17 or a delamination 19, in the arrangement 1 can then be determined using the thermal quality measure.
  • the quality parameters can be evaluated by using a suitable filter, for example a filter from the field of image processing, in particular in the form of an edge detector, and anomalies can thus be detected.
  • a suitable filter for example a filter from the field of image processing, in particular in the form of an edge detector, and anomalies can thus be detected.
  • the first and second temperatures, T1 and T2 are not measured directly, but are determined using an extrapolation method.
  • the temperature curves in areas before and after the laser is switched on are interpolated using linear or more complex functions. These functions are then extrapolated at a time which is preferably between the measurement of T 1 and T2, preferably this is the switch-on time of the laser.
  • the first temperature T 1 and the second temperature T2 as well as the temperature difference are determined.
  • This procedure can also be used analogously for the temperature drop when the irradiation is switched off.
  • the advantage of this alternative may be a better signal-to-noise ratio.
  • the influence of the slow rise in temperature can be influenced by heating of the heat spreader be reduced. In this way, the measurement error when measuring samples with a smaller heat spreader can also be reduced.
  • Fig. 7a shows an illustration of the result of evaluating quality characteristics of partial areas of a real test specimen. What can be seen is the sample body, which is gridded into sub-areas, with each sub-area having a value according to the temperature difference determined there in relation to the light output attributable to the respective sub-area. The value is shown as a pattern for visualization and partial areas with the same values are patterned the same. This form of representation is chosen analogously to the representation of a “heat map” in order to visualize the values of a two-dimensional definition set.
  • the grid in Fig. 7a is so fine that the individual sub-areas cannot be individually distinguished from one another.
  • the thermal camera used for the recordings in FIG. 7a enables a very detailed spatial resolution of the test specimen due to its very high number of pixels.
  • the sample body of FIG. 7a is comparable to the arrangement 1 shown in FIG. 3 and has a cavity in the solder layer as an anomaly.
  • the cavity can be seen in the illustration as a circular area 35 with an elevated temperature.
  • FIG. 7b an illustration for another specimen is shown in the same way as in Fig. 7a.
  • the specimen of Fig. 7b is comparable to the arrangement 1 shown in Fig. 3 and has delamination of the silver coating as an anomaly.
  • the delamination can be seen in the illustration as a larger surface area 37 with an increased temperature.
  • the increased temperature comes from the anomaly in the specimen. Because of the anomaly, the heat introduced into the ceramic substrate by the irradiation light is reduced in the direction of the heat spreader. This leads to local hotspots 35 and 37, respectively.
  • anomalies can be detected automatically, for example by filtering the representation of FIG. 7a or FIG. 7b with a threshold detector and/or an edge detector. This allows the areas with increased quality parameters, such as areas 35 and 37, to be detected. A corresponding sample can then be sorted out in an automated process.
  • Figs. 7a and 7b the same reference numbers were used for the same features as in arrangement 1 (FIG. 3) in order to make the assignment easier, even though they are each separate test specimens.
  • Figs. 8a and 8b Illustrations of results of evaluating temperatures of partial areas of test specimens before and after taking the light output into account.
  • each figure shows an illustration of the result of evaluating temperatures of partial areas of a real sample body, whereby the light output has not yet been taken into account.
  • the bottom image shows an illustration of the result with the light output taken into account.
  • a central area of the test body (comparable to arrangement 1) has an increased temperature difference as a result of the irradiation with incident light. This is due to the higher light output of the incident light in this area.
  • this inhomogeneous intensity distribution is taken into account by means of the light output attributable to the partial areas, cf. bottom image in Fig. 8a, the areas of different heat conduction caused by the sample body, such as the corner areas of the ceramic substrate here, appear.
  • 9a and 9b illustrate the determination of the quality parameters from the spatially resolved, i.e. for the individual sub-areas, measured temperature differences and light outputs of a test specimen (such as arrangement 1) and show different data for the sub-areas in a similar way to Figures 8a-b of the test specimen.
  • Fig. 9a shows the situation for irradiation with incident light that has a circular, Gaussian beam profile.
  • Fig. 9b shows the situation for irradiation with incident light that has a square beam profile that is almost homogeneous within the square.
  • the first line of Figs. 9a and 9b show the measured temperature differences. Since the subareas are very small, they are not resolved individually.
  • the second line shows the power profile of the incident light that caused this temperature difference.
  • the influence of the performance profile is taken into account.
  • FIG. 10 shows, for two homogeneous test bodies of different thicknesses (converter arrangements), the quality characteristics of the partial areas present within a central region of the test body, determined using a method according to the invention.
  • Fig. 11 shows the spatially resolved measurement of the quality parameters on a sample body that has a local anomaly.
  • the comparative X-ray image of the sample on the left shows that this local anomaly is linked to a defect in the solder layer of the luminescence converter arrangement.
  • the gray value scale is inverted to better visualize defects. Dark areas indicate higher X-ray transmission.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur ortsaufgelösten Bestimmung eines thermischen Qualitätsmaßes eines Probenkörpers (1), wobei ein Oberflächenbereich (3) des Probenkörpers mit Einstrahlungslicht (13, 27) bestrahlt, die Temperatur für jeweils jeden von einem oder mehreren Teilbereichen des Oberflächenbereichs (3) gemessen und ein Qualitätskennwert für jeden Teilbereich ermittelt wird, basierend auf der für den jeweiligen Teilbereich gemessenen Temperatur und einer Referenztemperatur sowie der auf den jeweiligen Teilbereich einfallenden Lichtleistung des Einstrahlungslichtes.

Description

Verfahren zum Feststellen eines thermischen Qualitätsmaßes eines Probenkörpers
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Feststellen eines thermischen Qualitätsmaßes von wenigstens einem Bereich eines Probenkörpers.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind thermographische Verfahren zum Feststellen von thermischen Eigenschaften eines Probenkörpers bekannt. Beispielsweise kann die sogenannte Laser-Flash- Methode dazu verwendet werden. Dadurch kann etwa die Wärmediffusion oder die Wärmeleitfähigkeit des Materials eines Probenkörpers gemessen und so die Qualität des Probenkörpers, beispielsweise in Bezug auf eine bestimmte Anwendung, festgestellt werden.
Allerdings zeigt sich, dass die bekannten Verfahren oftmals eine bestimmte Beschaffenheit des Probenkörpers voraussetzen, oder nur einzelne Einflüsse der thermischen Eigenschaften des Probenkörpers erfassen können. Auch bestehen häufig Einschränkungen hinsichtlich einer räumlich aufgelösten Bestimmung der thermischen Eigenschaften.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen zuverlässig und effizient die Qualität von Probenkörpern, insbesondere in Bezug auf deren thermische Eigenschaften, beurteilt werden kann.
Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem ersten Aspekt dadurch gelöst, dass ein Verfahren zum Feststellen eines thermischen Qualitätsmaßes von wenigstens einem Bereich eines Probenkörpers, das Verfahren aufweisend:
Bereitstellen wenigstens eines Probenkörpers;
Bestrahlen zumindest eines Oberflächenbereichs des Probenkörpers mit Einstrahlungslicht;
Messen von einer ersten Temperatur für jeweils jeden von einem oder mehreren Teilbereichen des Oberflächenbereichs; und
Ermitteln eines Qualitätskennwertes für jeden Teilbereich basierend auf der für den jeweiligen Teilbereich gemessenen ersten Temperatur und einer Referenztemperatur des Teilbereichs sowie der auf den jeweiligen Teilbereich einfallenden Lichtleistung des Einstrahlungslichtes, vorgeschlagen wird.
Der Erfindung liegt damit die überraschende Erkenntnis zugrunde, dass das Auswerten der lokalen, lichtinduzierten Wärmestromdichten für einzelne lokale Bereiche der Oberfläche eines Probenkörpers eine besonders zuverlässige und effiziente Möglichkeit bereitstellt, ein thermisches Qualitätsmaß eines Probenkörpers zu bestimmen.
Informationen zu den lokalen, lichtinduzierten Wärmestromdichten lassen sich wiederum anhand zumindest der lokal an den einzelnen Teilbereichen jeweils bestehenden Temperaturen und Referenztemperaturen unter Einbeziehung der einfallenden Lichtleistung ermitteln. Somit lässt sich ein thermisches Qualitätsmaß durch einfach durchführbare lokale Temperaturmessungen für die einzelnen Teilbereiche feststellen. Aufgrund der Aufteilung der Oberfläche in Teilbereiche erfolgt dies dabei sogar ortsaufgelöst. Da das Verfahren zudem berührungsfrei und somit ohne Zerstörung des Probenkörpers arbeitet, ist das Verfahren besonders effizient anwendbar.
Mit dem Verfahren lassen sich folglich insbesondere Veränderungen des Wärmeeintrags und/oder des Wärmetransports innerhalb des Probenkörpers von außen ortsaufgelöst feststellen. Dadurch kann für den Probenkörper ein ortsaufgelöstes thermisches Qualitätsmaß erfasst werden.
Dieses Qualitätsmaß kann beispielsweise auf thermische Hotspots, also Orte potenzieller oder tatsächlicher Überhitzung, hinweisen. Dadurch sind Anomalitäten im oder auf dem Probenkörper identifizierbar. Die Hotspots können dabei innerhalb lokal begrenzter Flächen- und/oder Volumenbereiche des Probenkörpers bestehen.
Besonders kritisch sind thermische Hotspots bei Lumineszenzkonverteranordnung, bei denen also Licht bestimmter Wellenlänge eingestrahlt und in der Frequenz umgesetztes Licht von der Anordnung wieder emittiert wird. Bei solchen Konverteranordnungen führen thermische Hotspots mit einsetzender Bestrahlung zu einer lokal übermäßigen und unerwünschten Erwärmung des Probenkörpers.
Solche Lumineszenzkonverteranordnungen bestehen zum Beispiel aus einem Konvertermaterial, welches mittels einer rückseitigen Lot- oder Klebeschicht auf einen Wärmspreizer aufgebracht ist. In der Anwendung kann das Konvertermaterial auf der Vorderseite mit Licht bestrahlt werden, welches von der Anordnung teilweise absorbiert wird, wodurch es zu einem Wärmeeintrag in die Anordnung kommt. Bei Probenkörpern im Allgemeinen und bei optischen oder optoelektronischen Bauteilen, die aus mehreren Komponenten bestehen können, im Besonderen, kann eine lokale Überhitzung etwa durch schlechte Wärmeanbindung zweier Komponenten, aber auch durch eine erhöhte Wärmeerzeugung im Bauteil bedingt sein.
Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich damit besonders gut dafür, potenzielle „Hotspots“ des Probenkörpers, wie insbesondere eines optischen oder optoelektronischen Bauteils, zu erkennen, die während des regulären Betriebs des Probenkörpers zu einem thermisch induzierten Versagen des jeweiligen Bauteils oder Teilen davon führen können. Der Probenkörper kann dann daraufhin aussortiert oder repariert werden.
Das vorgeschlagene Verfahren basiert realiter darauf, die so genannte opto-thermische Impedanz (Einheit [K m2/Watt]), insbesondere vollständig oder zumindest einzelne der notwendigen Zwischenschritte davon, zu ermitteln. Diese Größe beschreibt die, insbesondere lokale, Temperaturerhöhung (Einheit [K]) der Oberfläche des Probenkörpers, welche diese erfährt, wenn sie mit einer vorgegebenen Bestrahlungsstärke (Einheit [Watt/m2]) bestrahlt wird.
Die opto-thermische Impedanz eines Bauteils, wie einem hier besprochenen Probenkörper, wird im Folgenden am Beispiel einer exemplarischen Lumineszenzkonverteranordnung näher beschrieben:
• Die opto-thermische Impedanz einer Konverteranordnung wird bestimmt durch die Wärmeerzeugung im Konverter, den Wärmetransport durch den Konverter und die thermische Anbindung des Konverters an die Wärmesenke.
Die Wärmeerzeugung im Konverter ist proportional zur Absorption des eingestrahlten Anregungslichts, vermindert um die Emission des durch Lumineszenzkonversion erzeugten Lichts. Bei einem Konvertermaterial, das eine starke diffuse Rückstreuung des eingestrahlten Lichts aufweist, wird weniger Licht absorbiert und somit weniger Wärme erzeugt. Eine damit aufgebaute Lumineszenzkonverteranordnung hat eine geringere opto-thermische Impedanz als eine Anordnung mit einem schwach streuenden Konvertermaterial, wenn die sonstigen geometrischen, optischen und thermischen Eigenschaften der Anordnung identisch sind.
Der Wärmetransport durch den Konverter ist zu weiten Teilen bestimmt durch die Wärmeleitfähigkeit und die Dicke des Konvertermaterials. Eine Konverteranordnung mit einem dickeren Konvertermaterial zeigt eine höhere opto-thermische Impedanz als eine identische Anordnung mit einem dünnen Konvertermaterial. Eine Konverteranordnung mit einem Konvertermaterial mit schiecher Wärmeleitfähigkeit zeigt eine höhere opto- thermische Impedanz als eine identische Anordnung mit einem Konvertermaterial mit besserer Wärmeleitfähigkeit.
Die thermische Anbindung des Konverters an die Wärmesenke ist durch das verwendete Material (z.B. Klebstoff oder Lot) aber auch durch thermische Widerstände der Grenzflächen bestimmt. Daher hat eine Anordnung mit aufgeklebtem Lumineszenzkonverter eine höhere opto-thermische Impedanz als eine Anordnung mit aufgelötetem Lumineszenzkonverter.
Insbesondere diese Größen können lokale Inhomogenitäten aufweisen:
Beispielsweise kann die Wärmeerzeugung durch Defekte auf der Oberfläche oder im Volumen des Konvertermaterials lokal erhöht sein.
Beispielsweise kann auch die thermische Anbindung des Konverters an die Wärmesenke durch Blasen in der Klebe- oder Lotschicht gestört sein.
Die erste Temperatur und die Referenztemperatur ermöglichen es gerade, die relevante, durch die Bestrahlung erzeugte, Temperaturerhöhung zu quantifizieren und/oder zu qualifizieren. Dabei können die dafür notwendigen Temperaturen sehr einfach und zudem sehr schnell und dennoch zuverlässig gemessen werden. Beispielsweise lassen sich die ersten Temperaturen aller Teilbereiche in kurzer Zeit, beispielsweise in wenigen Sekunden oder sogar weniger als einer Sekunde, messen. Damit ist das Verfahren sehr effizient in seiner Durchführung. Es kann damit auch bei der Qualitätskontrolle und Qualitätssicherung bevorzugt eingesetzt werden, da sehr viele Probenkörper in kurzer Zeit geprüft werden können. Beispielsweis können mehr als 60, mehr als 360, mehr als 720, mehr als 1800, oder sogar mehr als 3600 Probenkörper pro Stunde mit dem vorgeschlagenen Verfahren geprüft werden, mithin thermische Qualitätsmaße für die einzelnen Probenkörper festgestellt werden.
Damit kann die Charakterisierung eines Probenkörpers und die Beurteilung dessen Qualität besonders einfach und zuverlässig selbst in einer Massenproduktions-Umgebung durchgeführt werden.
Indem die Lichtleistung des Einstrahlungslichts berücksichtigt wird, muss dieses nicht homogen auf die Probe einfallen, sondern darf einen beliebigen räumlichen Verlauf haben. Die Oberfläche des Probenkörpers muss also nicht gleichmäßig ausgeleuchtet sein. Die auf die einzelnen Teilbereiche entfallende Lichtleistung kann separat für eine konkrete Lichtquelle ermittelt werden. Diese kann beispielsweise aus dem Produkt der mittleren Bestrahlungsstärke [W/m2] und der Größe des Teilbereichs [m2] berechnet werden.
Das vorgeschlagene Verfahren erlaubt es auch, eine Vielzahl unterschiedlicher Ursachen für eine drohende lokale Überhitzung während einer Prüfung zu erkennen. Damit ermöglicht es das Verfahren, einen zuverlässigen Indikator für schadhafte Probenkörper zu erhalten. Denn es kommt zumindest auf die ermittelten Temperaturen an. Alle Ursachen, die zu einer Temperaturänderung führen, wie ein veränderter Wärmestrom aufgrund einer Anomalität im Probenkörper, können somit mit dem Verfahren festgestellt werden. Besonders vorteilhaft ist es aber, dass so nicht nur Anomalitäten erkannt werden können, die auf eine schlechte Wärmeleitfähigkeit zurückzuführen sind, sondern auch solche, die auf eine erhöhte Absorption und damit auf einen erhöhten Wärmeeintrag zurückzuführen sind. Damit ist mit dem vorgeschlagenen Verfahren ein sehr umfassendes thermisches Qualitätsmaß feststellbar.
Es sei besonders darauf hingewiesen, dass ein zumindest lokal bestehender abweichender Wärmefluss auch nicht zwingend eine Anomalität im Sinne einer Schadhaftigkeit darstellen muss. Es kann sich dabei auch um eine Materialeigenschaft des Probenkörpers handeln, sodass der Wärmefluss gleichermaßen als thermisches Qualitätsmaß feststellbar ist und damit Rückschlüsse auf die Materialeigenschaft ermöglicht.
Durch die bereichsweise Aufteilung der Temperaturmessung, kann die Temperaturänderung ortsaufgelöst festgestellt werden. Damit ist es besonders einfach möglich, eine Temperaturänderung einem konkreten körperlichen Bereich des Probenkörpers zuzuordnen. Auf diese Weise kann bei Kenntnis des Aufbaus des Probenkörpers besonders einfach die Ursache eines lokalen Hotspots auf Grundlage der durchgeführten Messungen ausfindig gemacht werden. Beispielsweise kann ein schlechter Wärmeübergang, ein Blaseneinschluss, und/oder ein Bereich erhöhter Absorption im Probenmaterial als Ursache gefunden werden.
Das vorgeschlagene Verfahren kann dabei sowohl auf homogene Probenkörper angewendet werden, wie auch auf Probenkörper, die Komposite oder geschichtete Materialien aufweisen oder darstellen. Auch Probenkörper mit thermischen Interface-Materialien sind dem vorgeschlagenen Verfahren problemlos zugänglich. Damit überwindet das vorgeschlagene Verfahren bestehende Limitierungen des Stands der Technik.
Damit muss nicht mehr die herkömmlicherweise häufig betrachtete Messgröße der thermischen Impedanz (insbesondere für ein transientes Verhalten) oder des thermischen Widerstands (insbesondere für ein stationäres Verhalten) herangezogen werden. Das ist sehr vorteilhaft, denn diese Messgröße hat sich als nicht besonders zuverlässig herausgestellt, da mit ihr die gesamte thermische Leistung bei einer eingetretenen Temperaturerhöhung betrachtet wurde. So wird dabei herkömmlicherweise der zu untersuchende Probenkörper mit einer warmen und einer kalten Kontaktfläche in Kontakt gebracht und die zwischen diesen Kontaktflächen gemessene Temperaturdifferenz dividiert durch den ebenfalls zu messenden Wärmestrom ergibt eine einzige thermische Impedanz für den untersuchten Probenkörper. Dies ist sehr aufwändig in seiner Durchführung und zudem noch ungenau und lässt keine weiteren differenzierten Rückschlüsse auf etwa Ort und Art einer Anomalität oder eines abweichenden Wärmeflusses zu.
Das vorgeschlagene Verfahren erfordert es insbesondere nicht, thermische Materialdaten wie die Wärmediffusion oder die Wärmeleitfähigkeit aus aufgezeichneten Messdaten zu extrahieren, wie es bei herkömmlichen Verfahren in der Thermografie teilweise notwendig ist. Stattdessen sind lediglich zumindest die sehr einfach und zuverlässig durchführbaren Temperaturmessungen sowie Kenndaten zur Lichtleistung notwendig.
Vorteilhafterweise ermöglicht es das vorgeschlagene Verfahren in einer Ausführungsform außerdem, die Qualität eines Probenkörpers in Bezug auf eine bestimmte Anwendung auch von weiteren Eigenschaften, die nicht auf thermische Eigenschaften beschränkt sein müssen, zu bestimmen. Bei Lumineszenkonvertern kann das zum Beispiel die diffuse Lichtreflexion oder die Licht-Konversionseffizienz sein, die gemeinsam mit den thermischen Eigenschaften die Bestrahlungsfestigkeit des Probenkörpers bestimmt.
In einer Ausführungsform umfasst ein Probenkörper optische, optoelektronische und/oder elektronische Bauteile. In einer Ausführungsform weist der Probenkörper alternativ oder ergänzend zumindest eine elektronische Baugruppe auf oder stellt diese dar. In einer Ausführungsform umfasst ein Probenkörper alternativ oder ergänzend mehrere Schichten aus zumindest teilweise unterschiedlichen Materialien.
Das Feststellen des thermischen Qualitätsmaßes kann manuell oder automatisiert erfolgen.
In einer Ausführungsform stellt das thermische Qualitätsmaß eine Wärmeverteilung innerhalb des Probenkörpers dar.
Das thermische Qualitätsmaß kann beispielsweise basierend auf den Qualitätskennwerten explizit festgestellt werden. Daher weist das Verfahren vorzugsweise auf: Feststellen des thermischen Qualitätsmaßes basierend auf den ermittelten Qualitätskennwerten. Das thermische Qualitätsmaß kann für den gesamten Probenkörper oder für einen Teil des Probenkörpers gelten. Beispielsweise kann die Feststellung des thermischen Qualitätsmaßes auf einen zentralen Bereich des Probenkörpers beschränkt werden.
Optional kann das Verfahren aufweisen: Charakterisieren und/oder Klassifizieren einer Anomalität oder einer thermischen Eigenschaft des Probenkörpers, insbesondere basierend auf den Qualitätskennwerten. Ein Charakterisieren kann beispielsweise aufweisen: Ermitteln einer räumlichen Ausdehnung der Anomalität, insbesondere innerhalb des Probenkörpers, und/oder basierend auf den Qualitätskennwerten. Ein Klassifizieren kann beispielsweise aufweisen: Ermitteln eines Typs der Anomalität und/oder Ermitteln eines Defekts des Probenkörpers. Das Klassifizieren kann vorzugsweise dann ferner aufweisen: Zuordnen von einem oder mehreren Elementen des realen Probenkörpers zu den Anomalitäts-Teilbereichen, und insbesondere Feststellen dieser Elemente als defekt. Beispielsweise kann die Zuordnung aufgrund räumlicher Nähe und/oder Wahrscheinlichkeitswerten erfolgen.
Ein Anomalitäts-Teilbereich ist dabei vorzugsweise ein solcher Teilbereich, für den ein Qualitätskennwert ermittelt wurde, der die Anwesenheit einer Anomalität für den Teilbereich anzeigt.
Wenn sich beispielsweise ein Anomalitäts-Teilbereich in räumlicher Nähe zu einem Bonding- Übergang befindet, kann die für einen solchen Teilbereich festgestellte Anomalität dem Bonding-Übergang zugeordnet werden. Eine solche Anomalität kann dann beispielsweise als Anomalität des Bonding-Übergangs klassifiziert werden.
Eine Temperatur, wie eine erste Temperatur oder Referenztemperatur, kann im Sinne der vorliegenden Anmeldung vorzugsweise ein absoluter Temperaturwert in Kelvin sein. Eine Temperatur kann alternativ oder ergänzend auch ein Maß sein für eine Temperatur. Optional kann das Maß, beispielsweise anhand von Referenztabellen und/oder Umrechnungsvorschriften, in einen absoluten Temperaturwert in Kelvin umgerechnet werden. Wenn die jeweilige Temperatur ein Maß für eine absolute Temperatur darstellt, kann die Temperatur auf vielfältige Weise ermittelt werden. Und zwar auch mit Mitteln, die originär keine Temperaturmessung ermöglichen. Ein Maß ist beispielsweise dann ausreichend, wenn es nicht auf absolute Temperaturwerte ankommt, sondern eine vergleichende Betrachtung mehrerer Maße erfolgt oder eine Auswertung darauf basiert. Ein Maß für eine Temperatur kann beispielsweise ein qualitatives Maß für eine Temperatur in Kelvin sein. Ein Maß für eine Temperatur kann beispielsweise auch eine Temperatur mit unbekanntem Offset sein. Eine solche eignet sich besonders für Vergleiche zwischen mehreren dieser Temperaturen. Das Einstrahlungslicht kann mittels eines Lasers bereitgestellt werden. Der Austrittsbereich des Laserlichts ist vorzugsweise rund oder rechteckig. Beispielsweise tritt das Laserlicht aus einer Faser mit rundem oder rechteckigem Querschnitt aus. Beispielsweise kann das Einstrahlungslicht mittels einer Optik geformt und/oder in Richtung des Probenkörpers gerichtet werden. Die Optik kann wenigstens eine Sammellinse und/oder wenigstens eine Zerstreuungslinse aufweisen.
Damit kann das Einstrahlungslicht auf den Probenkörper, insbesondere den Oberflächenbereich, abgebildet werden. So lässt sich besonders zuverlässig ein großflächiger Leuchtfleck auf dem Probenkörper einstellen. Der Leuchtfleck kann vorzugsweise rund oder eckig, insbesondere rechteckig oder quadratisch, sein.
Das thermische Qualitätsmaß kann dabei für zumindest einen Bereich des Probenkörpers erfolgen und/oder für mehrere Bereiche des Probenkörpers jeweils individuell. Beispielsweise können dazu die Qualitätskennwerte der auf die einzelnen Bereiche entfallenden Teilbereiche herangezogen werden. Durch das Feststellen des Qualitätsmaßes kann eine Anomalie festgestellt und/oder lokalisiert werden.
Das Einstrahlungslicht weist bevorzugt eine Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich im Anwendungsbereich des Probenkörpers, insbesondere des optischen Bauteils, auf.
In einer Ausführungsform kann das Licht Wellenlängen des sichtbaren Spektralbereichs aufweisen, vorzugsweise des blauen Spektralbereichs. Das Licht kann alternativ oder ergänzend auch Wellenlängen aus dem nicht-sichtbaren Spektralbereich aufweisen, wie aus dem UV-Spektralbereich, aus dem Röntgen-Spektralbereich und/oder aus dem IR-Bereich.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass (i) der Probenkörper Glas, Glaskeramik, Phosphor in Glas (PIG) und/oder Keramik aufweist oder daraus besteht; und/oder
(ii) der Probenkörper zumindest eine Lumineszenzkonverteranordnung oder Teile davon aufweist oder darstellt, und wobei vorzugsweise die Lumineszenzkonverteranordnung zumindest einen keramischen Lumineszenzkonverter, insbesondere umfassend zumindest ein Keramiksubstrat, wie beispielsweise zumindest ein mit Cer-dotiertes YAG- und/oder LuAG-Keramiksubstrat, und/oder zumindest einen Wärmespreizer, vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium und/oder Keramik, aufweist. Beispielsweise umfasst der Probenkörper einen Teil, der einer Bestrahlungsstärke ausgesetzt wird und einer Basis für dieses Teil, typischerweise einen Lumineszenzkonverter und einen Wärmespreizer.
Der gesamte Probenkörper kann transparent sein (bei transmissiven Anwendungen) oder nicht- transmissiv (bei remissiven Anwendungen). Generell kann sich der transmissive Aufbau vom remissiven Aufbau dadurch unterscheiden, dass bei Ersterem einige oder alle Komponenten transparent sind. Daher ist bei solchen Probenkörper dementsprechend in allen oder einigen Teilen kein metallisches Lot sowie keine Ag-Schicht oder dergleichen enthalten. Außerdem ist die Haftschicht zwischen Lumineszenzkonverter und Wärmespreizer ebenfalls zumindest bereichsweise transparent. Es können Epoxy- oder Silikonkleber eingesetzt sein.
Beispiel für einen exemplarischen remissiven Aufbau eines Probenkörpers von der Lichteinfallseite aus gesehen:
1. optional: eine oder mehrere optische Beschichtungen, beispielsweise eine Antireflex (AR)- Schicht und/oder eine optisch glättende Schicht
2. zwingend: Lumineszenzkonverter, bevorzugt keramischer Konverter (monolithisch und polykristallin), alternativ: Phosphor in Glass (PIG), Phosphor in Ceramic (PIC)
3. optional: eine oder mehrere optische Schichten (z. B. eine Ag-Schicht oder andere HR- Schichten, und/oder optisch glättende Schichten), bevorzugt Ag-Schicht
4. Verbindende Schicht: metallisches Lot, Lotglas und/oder gefüllte oder ungefüllte Klebstoffe (Schichtdicke von 5 bis 70 pm, bevorzugt 10 bis 60 pm, mehr bevorzugt 15 bis 50 pm und besonders bevorzugt 20 bis 50 pm).
5. Wärmesenke (kann in bestimmten Ausführungsformen ausreichend reflektierend sein, so dass auf HR-Schicht ggf. verzichtet werden kann, dann muss aber die verbindende Schicht zwingend transparent sein)
Beispiel für einen exemplarischen transmissiven Aufbau eines Probenkörpers von der Lichteinfallseite aus gesehen:
1. optional: eine oder mehrere optische Beschichtungen, beispielsweise eine Antireflex (AR)- Schicht und/oder eine optisch glättende Schicht 2. zwingend: Lumineszenzkonverter, bevorzugt keramischer Konverter (monolithisch und polykristallin), alternativ: Phosphor in Glass (PIG), Phosphor in Ceramic (PIC), Gebundene Phosphorpulver-Schicht, Einkristalliner Konverter, 3. Verbindende Schicht: zwingend transparent, Kleber, Lotglas, bei seitlicher Fixierung auch nicht-transparente Befestigungsmittel möglich
4. transparente Wärmesenke, z. B. Saphir oder nichttransparente (z.B. metallische) Wärmesenke am Rand des transparenten Bereichs.
Gerade für Probenkörper in Gestalt von Lumineszenzkonverteranordnungen ist das Verfahren besonders ausgezeichnet geeignet. Solche Anordnungen dienen dazu, eingestrahltes Licht (etwa blaues Licht) mittels Photolumineszenz in andere Wellenlängenbereiche (etwa gelbes und/oder grünes Licht) umzuwandeln. Solche Anordnungen werden beispielsweise in laserangeregten Lumineszenzlichtquellen eingesetzt. Bei solchen Anordnungen kann mit dem Verfahren folglich ein unerwartetes Versagen der Anordnung und damit der Lichtquelle frühzeitig erkannt und dadurch vermieden werden.
Das Verfahren lässt sich besonders gut im Bereich der Lumineszenzlichtquellen und/oder der Herstellung von Teilen davon anwenden.
Eine Lumineszenzkonverteranordnung weist in einer Ausführungsform eine Absorption des Einstrahlungslichtes von 30 % oder mehr, vorzugsweise von 50 % oder mehr, auf.
Eine Lumineszenzkonverteranordnung weist vorzugsweise ein Keramiksubstrat auf, das an einen Wärmespreizer gebunden ist. Eine Lumineszenzkonverteranordnung weist in einer Ausführungsform entlang der Stapelrichtung, insbesondere unmittelbar aufeinanderfolgend, auf: Ein Keramiksubstrat, eine, insbesondere rückseitige, Beschichtung des Keramiksubstrats, eine Verbindungsschicht, z.B. Lotschicht und/oder Kleber (optional gefüllter Kleber), und/oder einen Wärmespreizer. Optional weist das Keramiksubstrat auf der der, insbesondere rückseitigen, Beschichtung abgewandten Hauptseite, insbesondere der Vorderseite, eine Antireflexbeschichtung auf. Die rückseitige Beschichtung kann eine Silberbeschichtung sein, also Silber enthalten.
Die Lumineszenzkonverteranordnung kann weitere Schichten mit optischer und/oder thermischer und/oder mechanischer Funktion enthalten, wie z.B. Silber-Spiegelschichten, Gold- Spiegelschichten, dielektrische Schichten, Glättungsschichten und/oder Schichten zur Verbesserung der Haftung.
In einer Ausführungsform weist die Lumineszenzkonverteranordnung auf beiden Seiten des Keramiksubstrats eine oder mehrere optische Beschichtungen auf, beispielsweise Antireflex- Schichten, dichroitische Schichten, und/oder HR-Schichten (hochreflektive Schichten). Vorzugsweise ist die Hauptseite die flächenmäßig größte Seitenfläche des Keramiksubstrats.
Das Keramiksubstrat kann eine oder mehrere, insbesondere zwei, Hauptseiten aufweisen.
Die Lotschicht weist vorzugsweise eine Dicke von (a) mindestens 5 pm, vorzugsweise mindestens 15 pm, vorzugsweise mindestens 20 pm, (b) höchstens 100 pm, vorzugsweise höchstens 50 pm, vorzugsweise höchstens 40 pm, vorzugsweise höchstens 35 pm, und/oder (c) zwischen 5 pm und 100 pm, vorzugsweise zwischen 20 pm und 60 pm, vorzugsweise zwischen 20 pm und 55 pm, vorzugsweise zwischen 25 pm und 35 pm, auf.
Die Beschichtung weist vorzugsweise eine Dicke von (a) mindestens 0,1 pm, vorzugsweise mindestens 1 pm, vorzugsweise mindestens 5 pm, vorzugsweise mindestens 8 pm, (b) höchstens 30 pm, vorzugsweise höchstens 20 pm, vorzugsweise höchstens 15 pm, vorzugsweise höchstens 10 pm, und/oder (c) zwischen 0,1 pm und 30 pm, vorzugsweise zwischen 1 pm und 20 pm, vorzugsweise zwischen 5 pm und 15 pm, vorzugsweise zwischen 8 pm und 12 pm, auf.
Der Probenkörper, insbesondere die Lumineszenzkonverteranordnung, kann transparenten Kleber aufweisen. Außerdem können Heatsinks in Form eines Reflektors vorgesehen sein. Zumindest einige der Einzelteile eines Probenkörpers können miteinander verklebt sein.
Bei Lumineszenzkonverteranordnungen kann eine Überhitzung etwa durch schlechte Wärmeableitung und/oder Wärmeanbindung des Konvertermaterials (also etwa des Keramiksubstrats) an den Wärmespreizer (d.h. durch eine schlechte thermische Impedanz), aber auch durch eine erhöhte Wärmeerzeugung (d.h. durch eine verringerte Lichtkonversion) im Bauteil bedingt sein. Im praktischen Einsatz sind beide Faktoren hoch relevant. Daher können diese auch unter dem Begriff der opto-thermischen Impedanz gemeinsam adressiert werden. Die opto-thermische Impedanz beschreibt dabei die kombinierte Wirkung beider Faktoren. So kann ein thermischer Hotspot beispielsweise dadurch bedingt sein, dass a) die Wärmeableitung innerhalb des Probenkörpers gestört ist, dass b) die Lichtabsorption innerhalb des Probenkörpers oder auf der Oberfläche des Probenkörpers lokal erhöht ist, dass c) die Lichtkonversion innerhalb des Probenkörpers lokal gestört ist. In allen Fällen kann die Funktionalität des Probenkörpers dann beeinträchtigt sein, da es zu einer lokalen Wärmeentwicklung im Probenkörper kommt, welche letztendlich sogar zu dessen Zerstörung führen kann. All diese unterschiedlichen Ursachen eines thermischen Hotspots lassen sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren erkennen, auch bei Kombinationen dieser Ursachen. Dies stellt damit einen Vorteil gegenüber der herkömmlichen Thermografie dar, mit welcher allenfalls die unter a) genannte Ursache der gestörten Wärmeableitung erkennbar ist. Damit kann das Verfahren bevorzugt dazu eingesetzt werden, die opto-thermische Impedanz einer Lumineszenzkonverteranordnungen ortsaufgelöst zu bestimmen. Diese Größe wurde nämlich insoweit als eine äußerst zuverlässige Größe festgestellt, mit der die Eignung eines Bauteils für den Einsatz in einer laserangeregten Lichtquelle bewertet werden kann.
Bei bekannter opto-thermischer Impedanz kann dann sehr vorteilhaft die maximale Bestrahlungsstärke abgeschätzt werden, mit der die Lumineszenzkonverteranordnungen höchstens belastet werden darf.
Ferner ist es optional sogar möglich, die optischen und thermischen Beiträge zur opto- thermische Impedanz zu separieren, sofern dies beispielsweise für die nähere Feststellung des Qualitätsmaßes und/oder zur Charakterisierung und/oder Klassifizierung einer Anomalität von besonderem Interesse ist.
Das vorgeschlagene Verfahren eignet sich insbesondere für die Charakterisierung von sogenannten statischen Lumineszenzkonverteranordnungen (gelegentlich auch nur statische Konverter genannt). Das sind insbesondere keramische Lumineszenzkonverteranordnungen aus mit Cer dotierten YAG- oder LuAG-Keramiksubstrate (gelegentlich auch als Keramikplättchen bezeichnet).
Diese beispielsweise 60 pm bis 225 pm dicken Plättchen sind optional rückseitig zumindest bereichsweise mit einer Silberschicht beschichtet und sind vorzugsweise auf einem Wärmespreizer aus beispielsweise Kupfer angeordnet, vor allem etwa aufgelötet, aber auch geklebt.
Der Lumineszenzkonverter umfasst vorzugsweise mindestens ein Lumineszenzmaterial, welches in der Lage ist einfallendes Licht einer bestimmten Wellenlänge zumindest teilweise in Licht einer anderen Wellenlänge umzuwandeln. Hierbei handelt es sich insbesondre um Nitride und/oder Granate, welche mindestens ein aktivierendes Element umfasst, beispielsweise Europium und/oder Cer. Vorteilhaft kann es sich um keramische Lumineszenzmaterialien (nachfolgend auch Optokeramiken genannt) oder Lumineszenzmaterialien, bei denen Leuchtstoffpartikel („Phosphor“) in einer anorganischen Matrix eingebettet sind, bevorzugt „Phosphor in Glass“ (PIG), „Phosphor in Ceramic“ (PIC) oder „Phosphor in Inorganic“ (Pli), bevorzugt um keramische Lumineszenzmaterialien handeln.
Entsprechende vorteilhafte Materialien bzw. Lumineszenzkonverter sind beispielsweise in DE 102013 100 832 A1, DE 10 2013 100 821 A1 und DE 102012 005654 A1 beschrieben.
Vorteilhaft handelt es sich bei der Lumineszenzkonverteranordnung um eine statische Konverteranordnung oder um eine dynamische Konverteranordnung (im Folgenden auch Phosphorwheel genannt). Die Lumineszenzkonverteranordnung kann transmissiv oder remissiv betrieben werden. In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt der Betrieb der Lumineszenzkonverteranordnung in Remission.
Ein Wärmespreizer kann beispielsweise ein Mittel, insbesondere ein mechanisches Mittel, darstellen und/oder aufweisen, das einen Wärmefluss zwischen zwei Elementen, die jeweils mit dem Mittel wärmeleitend verbunden sind, fördert und/oder bewirkt.
Ein Wärmespreizer kann für das Einstrahlungslicht transparent oder nicht-transparent sein. Insbesondere in remissiven Anwendungen kann ein metall- und/oder keramikhaltiger Wärmespreitzer vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein Wärmespreizer Cu, Aluminium, Saphir, Keramik, Glaskeramik, Glas und/oder ein Kunststoff als Material aufweisen.
Beispielsweise kann auch ein Cu-Keramik-Sandwich als Wärmespreizer vorgesehen sein. Der Wärmespreizer kann (bei statischen Konvertern) ein fest montierbarer Körper oder (bei Phosphorwheels) ein in der Anwendung beweglicher, z.B. rotierender, Körper sein, dessen optothermische Impedanz aber vorzugsweise auch in ruhendem Zustand vermessen werden kann.
Diese Konverter werden vorzugsweise in laserangeregten Lumineszenzlichtquellen eingesetzt, wo sie mit blauem Licht bestrahlt werden. Ein Teil der eingestrahlten blauen Lichtleistung wird durch Photolumineszenz beispielsweise in gelbes und/oder grünes Licht umgewandelt. Ein weiterer Teil wird in Wärme umgewandelt, die über den Wärmespreizer abgeleitet wird. Der Wärmespreizer wiederum ist vorzugsweise auf einer Wärmesenke montiert, um die zugeführte Wärme seinerseits wieder abführen zu können.
Genauer gesagt fällt dabei, insbesondere in einer Ausführungsform, (blaues) Licht auf die Oberfläche des Keramiksubstrats. Ein geringer Anteil des Lichtes wird reflektiert, aber ein Hauptteil davon dringt in das Substrat ein. Ein Teil des Hauptteils wird diffus reflektiert und ein anderer Teil absorbiert. Ein Teil des absorbierten Lichts (bzw. dessen Leistung) wird in ausgestrahltes Lumineszenzlicht umgewandelt und ein anderer Teil erzeugt Wärme im Substratmaterial.
Das meiste dieser Wärme entsteht typischerweise in einem Volumen des Konverters unterhalb des Anregungsflecks des Einstrahlungslichtes. Das einfallende (zum Beispiel blaue) Licht kann aber auch im Übergangsbereich zum Wärmespreizer absorbiert werden und dort Wärme erzeugen.
Die Wärme wird dann vorzugsweise zu einer Wärmesenke geführt, beispielsweise über den Wärmespreizer. Zwischen der Wärmesenke und dem Wärmespreizer kann beispielsweise eine Wärmeleitpaste und/oder Wärmeleitpads vorgesehen sein. Ein Wärmetransfer per Wärmeabstrahlung oder Wärmekonvektion infolge einer Kühlung der Oberfläche wird hierbei vernachlässigt.
Vorzugsweise weist der Probenkörper eine Lumineszenzkonverteranordnungen in Gestalt einer statischen Lumineszenzkonverteranordnung auf.
Allerdings ist das Verfahren nicht auf statische Konverter beschränkt. Auch auf sogenannte dynamische Konverter kann das Verfahren gleichermaßen angewendet werden. Unter einem dynamischen Konverter wird beispielsweise eine Konverteranordnung verstanden, bei der das Konvertermaterial relativ zum Einstrahlungslicht bewegt wird. Das geschieht etwa bei sogenannten Phosphorwheels, wo beispielsweise ein ringförmiger Konverter auf eine verspiegelte, rotierende Metallscheibe aufgebracht, insbesondere aufgeklebt, ist. In diesem Fall kann die Umgebungsluft vorteilhafterweise als Wärmesenke angesehen werden, die trotz der schlechten Wärmeleitfähigkeit wegen der großen Oberfläche des Phosphorwheels zu einer guten Wärmeableitung aus dem Phosphorwheel in der Lage ist.
Bei Probenkörpern, insbesondere in Gestalt von Lumineszenzkonverteranordnungen, wie statische Konverter, können mit dem vorgeschlagenen Verfahren verschiedene Arten von lokalen Überhitzungen festgestellt werden. Beispielsweise solche, die durch schlechte thermische Kontaktwiderstände zwischen Konverter und Wärmespreizer hervorgerufen werden. Aber auch solche, die durch eine lokal schlechte Wärmeleitfähigkeit oder durch eine erhöhte Absorption des Einstrahlungslichts hervorgerufen werden. Herkömmliche Verfahren ermöglichen es nicht, die Überhitzungsursache mit einer einfachen Messung zu bewerten.
Die Hauptseiten des Keramiksubstrats haben beispielsweise zumindest eine Kantenlänge von zwischen 0,5 mm und 50 mm, vorzugsweise von zwischen 0,5 mm und 40 mm, vorzugsweise von zwischen 2 mm und 30 mm, vorzugsweise von zwischen 2 mm und 20 mm, vorzugsweise von zwischen 2 mm und 10 mm, vorzugsweise von zwischen 2 mm und 7 mm, vorzugsweise von zwischen 3 mm und 5 mm.
Die Hauptseiten des Keramiksubstrats haben beispielsweise zumindest eine Kantenlänge von wenigstens 0,5 mm, vorzugsweise wenigstens 1 mm, vorzugsweise wenigstens 2 mm, vorzugsweise wenigstens 5 mm, vorzugsweise wenigstens 7 mm, vorzugsweise wenigstens 10 mm, vorzugsweise wenigstens 15 mm, vorzugsweise wenigstens 20 mm, vorzugsweise wenigstens 25 mm, vorzugsweise wenigstens 30 mm, vorzugsweise wenigstens 40 mm, vorzugsweise wenigstens 50 mm, vorzugsweise wenigstens 60 mm, vorzugsweise wenigstens 70 mm, vorzugsweise wenigstens 80 mm. Die Hauptseiten des Keramiksubstrats haben alternativ oder ergänzend beispielsweise zumindest eine Kantenlänge von maximal 100 mm, vorzugsweise maximal 90 mm, vorzugsweise maximal 80 mm, vorzugsweise maximal 70 mm, vorzugsweise maximal 60 mm, vorzugsweise maximal 50 mm, vorzugsweise maximal 40 mm, vorzugsweise maximal 30 mm, vorzugsweise maximal 20 mm, vorzugsweise maximal 10 mm, vorzugsweise maximal 7 mm, vorzugsweise maximal 5 mm, vorzugsweise maximal 4 mm, vorzugsweise maximal 3 mm, vorzugsweise maximal 1 mm.
Das Keramiksubstrat weist vorzugsweise quadratische oder rechteckige Hauptseiten auf.
Die Hauptseiten des Wärmespreizers haben beispielsweise zumindest eine Kantenlänge von zwischen 1 mm und 100 mm, vorzugsweise von zwischen 5 mm und 80 mm, vorzugsweise von zwischen 15 mm und 60 mm, vorzugsweise von zwischen 15 mm und 50 mm, vorzugsweise von zwischen 15 mm und 450 mm, vorzugsweise von zwischen 20 mm und 40 mm,
Die Hauptseiten des Wärmespreizers haben beispielsweise zumindest eine Kantenlänge von wenigstens 1 mm, vorzugsweise wenigstens 10 mm, vorzugsweise wenigstens 20 mm, vorzugsweise wenigstens 30 mm, vorzugsweise wenigstens 40 mm, vorzugsweise wenigstens 50 mm, vorzugsweise wenigstens 60 mm, vorzugsweise wenigstens 70 mm, vorzugsweise wenigstens 80 mm.
Die Hauptseiten des Wärmespreizers haben alternativ oder ergänzend beispielsweise zumindest eine Kantenlänge von maximal 100 mm, vorzugsweise maximal 90 mm, vorzugsweise maximal 80 mm, vorzugsweise maximal 70 mm, vorzugsweise maximal 60 mm, vorzugsweise maximal 50 mm, vorzugsweise maximal 40 mm, vorzugsweise maximal 30 mm, vorzugsweise maximal 20 mm, vorzugsweise maximal 10 mm, vorzugsweise maximal 7 mm, vorzugsweise maximal 5 mm, vorzugsweise maximal 4 mm, vorzugsweise maximal 3 mm, vorzugsweise maximal 2 mm.
Der Wärmespreizer kann eine Dicke von zwischen 2 mm und 30 mm aufweisen, vorzugsweise von zwischen 2 mm und 10 mm. Beispielsweise kann die Dicke 3,2 mm oder 4 mm betragen.
Das Wärmespreizer weist vorzugsweise quadratische oder rechteckige Hauptseiten auf. Vorzugsweise ist die Hauptseite die flächenmäßig größte Seitenfläche des Wärmespreizers. Der Wärmespreizer kann eine oder mehrere, insbesondere zwei, Hauptseiten aufweisen.
Der Wärmespreizer kann in einer Ausführungsform rund sein. Dann kann er einen Durchmesser von beispielsweise zwischen 2 mm und 30 mm, vorzugsweise zwischen 4 mm und 20 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 15 mm, aufweisen. Alternativ oder ergänzend kann er dann eine Dicke von beispielsweise zwischen 0,5 mm und 10 mm, vorzugsweise zwischen 1 mm und 4 mm, aufweisen.
Der Wärmespreizer kann in einer Ausführungsform ein Wheel aus Aluminium oder Keramik sein. In diesem Fall kann er einen Durchmesser von beispielsweise zwischen 20 mm und 200 mm, vorzugsweise zwischen 25 mm und 120 mm, vorzugsweise zwischen 30 mm und 100 mm aufweisen.
Wenn in der vorliegenden Anmeldung ein Wertebereich mit „zwischen X und Y“ angegeben, wird, so sind in bevorzugten Ausführungsformen die Randwerte X und Y von dem Wertebereich mit umfasst. Mit anderen Worten, der Wertebereich schließt dann die Grenzen mit ein.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass (i) das Keramiksubstrat eine Dicke von (a) mindestens 30 pm, vorzugsweise mindestens 80 pm, vorzugsweise mindestens 100 pm, (b) höchstens 400 pm, vorzugsweise höchstens 300 pm, vorzugsweise höchstens 250 pm, vorzugsweise höchstens 225 pm, vorzugsweise höchstens 200 pm, und/oder (c) zwischen 30 pm und 400 pm, vorzugsweise zwischen 60 pm und 300 pm, vorzugsweise zwischen 80 pm und 225 pm, aufweist;
(ii) das Keramiksubstrat zumindest auf einer Hauptseite zumindest bereichsweise beschichtet ist, insbesondere mit einer Silberbeschichtung; und/oder
(iii) das Keramiksubstrat, insbesondere mit der beschichteten Seite, auf dem Wärmespreizer angeordnet, insbesondere auf diesem aufgelötet, ist, vorzugsweise unter Ausbildung einer Lotschicht zwischen Wärmespreizer und Keramiksubstrat.
Die Lotschicht stellt vorzugsweise eine mechanische und thermische Verbindung zwischen dem Wärmespreizer und dem (ggf. beschichteten) Keramiksubstrat her.
Optional ist die Silberschicht vollflächig auf dem Keramiksubstrat aufgebracht. Optional ist die Lotschicht vollflächig auf der beschichteten Hauptseite des Keramiksubstrats aufgebracht.
Alternativ zu einer Lotschicht kann auch ein anderes Verbindungsmittel zwischen Keramiksubstrat und Wärmespreizer vorgesehen sein, um beide miteinander zu befestigen. Beispielsweise kann eine Klebschicht vorgesehen sein.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass zumindest basierend auf den für die einzelnen Teilbereiche ermittelten Qualitätskennwerten (a) die opto-thermische Impedanz dieser Teilbereiche ermittelt wird oder diese durch die Qualitätskennwerte dargestellt ist, (b) eine Eigenschaft des Probenkörpers als thermisches Qualitätsmaß festgestellt wird, und/oder (c) lokale Anomalitäten des Probenkörpers, wie beispielsweise thermische Hotspots des Probenkörpers, als thermisches Qualitätsmaß festgestellt werden.
Gerade für statische Konverter sind thermische Hotspots besonders kritisch, so dass das Feststellen von deren Bestehen besonders bevorzugt ist.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Verfahren ferner aufweist:
Messen und/oder Ermitteln von einer zweiten Temperatur für jeweils jeden der Teilbereiche, für die eine erste Temperatur gemessen wurde, wobei die zweiten Temperaturen die Referenztemperaturen der jeweiligen Teilbereiche darstellen oder die Referenztemperaturen mittels der zweiten Temperaturen ermittelbar sind und/oder ermittelt werden.
Indem die zweite Temperatur der vorzugsweise nicht-bestrahlten Probe gemessen wird, kann besonders zuverlässig ein Maß für die Temperaturerhöhung bei Bestrahlung erhalten werden, indem die Temperaturdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Temperatur eingesetzt wird.
Die zweite Temperatur kann vorzugsweise unabhängig von der ersten Temperatur gemessen werden. Dadurch ist das Verfahren besonders flexibel und effizient einsetzbar.
Es ist sogar vorteilhaft möglich, die gleichen zweiten Temperaturen für mehrere Probenkörper als Referenztemperaturen zu verwenden. Damit kann der Aufwand des Verfahrens reduziert und seine Effizienz gesteigert werden. Beispielsweise können die thermischen Qualitätsmaße der innerhalb eines bestimmten Zeitraums betrachteten Probenkörper mit denselben zweiten Temperaturen festgestellt werden.
Vorzugsweise stellt sowohl die erste als auch die zweite Temperatur jeweils entweder einen absoluten Temperaturwert in Kelvin oder ein, insbesondere qualitatives oder quantitatives, Maß für eine Temperatur dar.
Ein absoluter Temperaturwert in Kelvin ist beispielsweise 300 K. Ein qualitatives Maß für eine Temperatur ist beispielsweise ein Wert auf einer Skala, etwa zwischen 1 (kalt) und 10 (heiß), wobei der Wert beispielsweise 3 sein kann. Ein Maß für eine Temperatur auf dieser Skala mit „8“ würde dann den Schluss erlauben, dass der Ort, für den das Maß „8“ ermittelt wurde wärmer ist als der Ort, für den das Maß „3“ ermittelt wurde. Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass die ersten Temperaturen der einzelnen Teilbereiche zu jeweils einem, vorzugsweise gemeinsamen, ersten Zeitpunkt gemessen werden, wobei vorzugsweise der erste Zeitpunkt nach dem Beginn, während und/oder vor dem Ende des Bestrahlens des Oberflächenbereichs des Probenkörpers mit dem Einstrahlungslicht liegt, insbesondere (a) mindestens 0,01 Sekunden, vorzugsweise mindestens 0,03 Sekunden, vorzugsweise mindestens 0,05 Sekunden, vorzugsweise mindestens 0,07 Sekunden, vorzugsweise mindestens 0,1 Sekunde, vorzugsweise mindestens 1 Sekunde, vorzugsweise mindestens 2 Sekunden, vorzugsweise mindestens 3 Sekunden, vorzugsweise mindestens 5 Sekunden, (b) maximal 10 Sekunden, vorzugsweise maximal 7 Sekunden, vorzugsweise maximal 5 Sekunden, vorzugsweise maximal 3 Sekunden, vorzugsweise maximal 1 Sekunde, vorzugsweise maximal 0,7 Sekunden, vorzugsweise maximal 0,5 Sekunden, vorzugsweise maximal 0,3 Sekunden, vorzugsweise maximal 0,1 Sekunde, vorzugsweise maximal 0,07 Sekunden, vorzugsweise maximal 0,05 Sekunden, vorzugsweise maximal 0,03 Sekunden, und/oder (c) zwischen 0,01 Sekunden und 10 Sekunden, vorzugsweise zwischen 0,1 Sekunde und 10 Sekunden, vorzugsweise zwischen 0,1 Sekunden und 1 Sekunde, nach dem Beginn und/oder vor dem Ende liegt.
Es wurde insoweit überraschend erkannt, dass bei Probenkörpern mit unterschiedlichen Komponenten diese jeweils unterschiedliche thermischen Wärmekapazitäten und/oder Wärmeleitfähigkeiten aufweisen können und ausgehend davon mit dem Verfahren besonders zuverlässige Erkenntnis-Ableitungen möglich sind. So benötigen die einzelnen Komponenten unterschiedliche Zeiten zum Aufheizen, während das Einstrahlungslicht eingestrahlt wird.
So kann beispielsweise in einer groben Näherung der Konverter als einen an eine Wärmesenke angebundenen Körper mit homogenem Wärmeeintrag betrachtet werden. Der initiale Temperaturanstieg kann dann durch AT/At = P / Q abgeschätzt werden. Die typische Zeitkonstante bis zum Erreichen einer Gleichgewichtstemperatur ist At = d2 / a. Diese ist typischerweise in wenigen Millisekunden erreicht. Wenn der Wärmespreizer nicht an eine Wärmesenke angebunden ist, heizt er sich nur langsam gemäß AT/At = P / Q auf. Da die Wärmekapazität eines exemplarischen Wärmespreizers um etwa das 800-fache höher ist, als die eines typischen Konverters, sind die Aufheizregime beider Komponenten sehr gut voneinander unterschieden und dadurch auch voneinander separiert werden. Dies zeigen auch die später vorgestellten thermischen Kenndaten von exemplarischen Konvertern und Wärmespreizern. Wenn daher der erste Zeitpunkt nach dem Beginn des Bestrahlens des Oberflächenbereichs liegt, kann durch entsprechende Wahl des Zeitversatzes zwischen dem Beginn des Bestrahlens und dem Zeitpunkt, zu dem die erste Temperatur gemessen wird, die Betrachtung auf für die Beurteilung des thermischen Qualitätsmaßes relevante Komponenten eingeschränkt werden. Wenn der erste Zeitpunkt vorzugsweise so gewählt wird, dass er kurz nach dem Beginn des Bestrahlens liegt (oder alternativ entsprechend kurz vor dem Ende des Bestrahlens liegt), wobei sich ein Wert von zwischen 0,01 Sekunden und 10 Sekunden hierbei als besonders bevorzugt herausgestellt hat, eignet sich das Verfahren besonders gut für das Feststellen eines thermischen Qualitätsmaßes gerade von Konverteranordnungen, wie statischen Konvertern.
Grund dafür sind bei beispielhaften Anordnungen die unterschiedlichen Wärmekapazitäten des dünnen Konverterchips (also des Keramiksubstrats) und des großen Wärmespreizers (beispielsweise aus Kupfer). Thermische Modellierung für beispielhafte Konverteranordnungen zeigen, dass das Aufheizen des Keramiksubstrats auf einer Zeitskala ablaufen kann, die bis zu drei oder vier Größenordnungen kleiner ist, als die für das Aufheizen des Wärmespreizers maßgebliche Zeitskala. Beispielsweise kann sich bei Einstrahlung von Einstrahlungslicht das Keramiksubstrat bereits in wenigen Milisekunden bis Subsekunden aufheizen, während der Kupfer-Wärmespreizer dafür mehrere Sekunden benötigt. Bei vergleichsweiser schlechter Anbindung des Wärmespreizers (beispielsweise aus Kupfer) an die als Wärmesenke fungierende Probenhalterung kann es sogar zu einem stetigen Temperaturanstieg über noch größere Zeiträume kommen. Das vorgeschlagene Verfahren ist jedoch gerade auch dadurch ausgezeichnet, dass eine gute Bestimmung der thermischen Maßzahl, z.B. der opto- thermischen Impedanz, auch in solchen an sich eher ungünstigen Konstellationen immer noch möglich ist.
Diese Umstände können besonders gut bei der Messung von statischen Konvertern ausgenutzt werden. Denn die thermischen Zeitkonstanten von Konverter inklusive Verbindungsschicht unterscheiden sich deutlich von der des Wärmespreizers.
Mit anderen Worten: Wird die opto-thermische Impedanz einer statischen Konverteranordnungen durch Messung der Temperaturerhöhung (Delta T [K]) bei einer bestimmten Bestrahlungsstärke (E [W/mm2]) gemessen und/oder bestimmt, so ergibt sich eine zeitabhängige Kurve, die bei eine Messdauer von einigen Sekunden typischerweise einen Temperaturanstieg auf zwei Zeitskalen zeigt: Direkt nach dem Einschalten des Laser- Einstrahlungslichts steigt die auf der Probenoberfläche gemessene Temperatur schlagartig an (beispielswiese um 5-6 K innerhalb von 0,1 Sekunden). Anschließend ist der Temperaturanstieg nach wie vor vorhanden, aber deutlich verlangsamt. Vorzugsweise werden alle ersten Temperaturen zu demselben ersten Zeitpunkt gemessen. Dann bestehen alle zu diesem ersten Zeitpunkt gemessenen ersten Temperaturen unter gleichen Bedingungen des Probenkörpers. Dies ermöglicht besonders zuverlässige Aussagen zu den einzelnen Qualitätskennwerten und damit zum thermischen Qualitätsmaß.
Der erste Zeitpunkt liegt vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,3 Sekunden, insbesondere zwischen 0,03 Sekunden und 0,3 Sekunden, insbesondere zwischen 0,05 Sekunden und 0,3 Sekunden, nach dem Beginn.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass die zweiten Temperaturen der einzelnen Teilbereiche zu jeweils einem, vorzugsweise gemeinsamen, zweiten Zeitpunkt gemessen werden, wobei vorzugsweise der zweite Zeitpunkt vor dem Beginn und/oder nach dem Ende des Bestrahlens des Oberflächenbereichs des Probenkörpers mit dem Einstrahlungslicht liegt, insbesondere (a) mindestens 0,01 Sekunden, vorzugsweise mindestens 0,03 Sekunden, vorzugsweise mindestens 0,5 Sekunden, vorzugsweise mindestens 0,1 Sekunde, vorzugsweise mindestens 1 Sekunde, vorzugsweise mindestens 2 Sekunden, vorzugsweise mindestens 3 Sekunden, vorzugsweise mindestens 5 Sekunden, (b) maximal 10 Sekunden, vorzugsweise maximal 7 Sekunden, vorzugsweise maximal 5 Sekunden, vorzugsweise maximal 3 Sekunden, vorzugsweise maximal 1 Sekunde, vorzugsweise maximal 0,5 Sekunden, vorzugsweise maximal 0,1 Sekunde, vorzugsweise maximal 0,05 Sekunden, vorzugsweise maximal 0,03 Sekunden, und/oder (c) zwischen 0,01 Sekunden und 10 Sekunden, vorzugsweise zwischen 0,1 Sekunde und 10 Sekunden, vorzugsweise zwischen 0,1 Sekunden und 5 Sekunden, vor dem Beginn und/oder nach dem Ende liegt.
Indem vorzugsweise der zweite Zeitpunkt vor dem Beginn des Bestrahlens liegt und der erste Zeitpunkt sehr kurz nach dem Beginn, also etwa zwischen 0,01 und 10 Sekunden nach dem Beginn, gewählt wird, kann für Probenkörper, wie insbesondere Konverteranordnungen, wie statischen Konverteranordnungen, der Einfluss des Wärmespreizers besonders einfach und zuverlässig eliminiert und die Betrachtung auf das Keramiksubstrat, einschließlich Verbindungsschichten, beschränkt werden. Mit anderen Worten, es kann damit die thermische bzw. opto-thermische Impedanz von Keramiksubstrat und Verbindungsschicht (insbesondere Silberbeschichtung und/oder Lotschicht) leicht aus der Impedanzkurve des Gesamtsystems extrahiert werden. Dies hat den besonderen Vorteil, dass der Einfluss des Wärmespreizers bei einem solchen System somit sehr einfach und zuverlässig eliminiert werden kann und es nicht notwendig ist, den Wärmespreizer aufwändig an eine Wärmesenke anzubinden.
Vorzugsweise werden alle zweiten Temperaturen zu demselben zweiten Zeitpunkt gemessen. Dann bestehen alle zu diesem zweiten Zeitpunkt gemessenen zweiten Temperaturen unter gleichen Bedingungen des Probenkörpers. Dies ermöglicht besonders zuverlässige Aussagen zu den einzelnen Qualitätskennwerten und damit zum thermischen Qualitätsmaß.
Der zweite Zeitpunkt liegt vorzugsweise zwischen 0,01 und 0,3 Sekunden, insbesondere zwischen 0,03 Sekunden und 0,3 Sekunden, insbesondere zwischen 0,05 Sekunden und 0,3 Sekunden, vor dem Beginn des Bestrahlens des Oberflächenbereichs des Probenkörpers mit dem Einstrahlungslicht.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass jede erste Temperatur eine Oberflächentemperatur des Probenkörpers ist; und/oder dass jede zweite Temperatur eine Oberflächentemperatur des Probenkörpers ist.
Oberflächentemperaturen können besonders einfach, kontaktlos und zerstörungsfrei an dem Probenkörper gemessen werden und sind daher vorteilhaft.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Messen der ersten Temperaturen aufweist:
Aufnehmen wenigstens eines ersten Bildes des Probenkörpers, vorzugsweise zum ersten Zeitpunkt, mittels wenigstens einer ersten Thermokamera, und Ermitteln der ersten Temperaturen für jeden Teilbereich aus den Bild-Informationen des wenigstens einen ersten Bildes, wobei vorzugsweise (i) das aufgenommene erste Bild eine Vielzahl von Pixeln aufweist, und jeder Teilbereich von wenigstens einem Pixel zumindest teilweise abgedeckt wird, und anhand der von der Kamera zu den einzelnen Pixeln bereitgestellten Bild-Informationen, wie Temperaturwerte, die ersten Temperaturen ermittelt werden, und/oder (ii) die erste Temperatur aus mehreren ersten Bildern berechnet wird, vorzugsweise durch Extrapolation der Temperaturverläufe der einzelnen Pixel für den Zeitpunkt des Ein- oder Ausschaltens des Einstrahlungslichts. Die ersten Temperaturen lassen sich besonders zuverlässig mit einer Thermokamera messen. Insbesondere ermöglicht es der Einsatz einer Thermokamera, sämtliche ersten Temperaturen gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig zu messen.
„Im Wesentlichen gleichzeitig“ bedeutet dabei vorzugsweise, dass die jüngste und die älteste von der Thermokamera erfassten und gespeicherten Bild-Information in Bezug auf die ersten Temperaturen innerhalb eines sehr kurzen Zeitraums, beispielsweise von weniger als 1 Sekunde, vorzugsweise von weniger als 0,1 Sekunden, vorzugsweise von weniger als 0,05 Sekunden, vorzugsweise von weniger als 0,01 Sekunden, liegen.
Mit einer Thermokamera lassen sich sogar zeitliche Auflösungen im Millisekundenbereich oder sogar im Sub-Millisekundenbereich erreichen. Es ist daher bevorzugt, dass die erste Thermokamera eine zeitliche Auflösung im Millisekundenbereich oder im Sub- Millisekundenbereich aufweist, beispielsweise von zwischen 0,1 ms bis 100 ms, vorzugsweise von zwischen 0,1 ms bis 70 ms, vorzugsweise von zwischen 1 ms bis 50 ms, vorzugsweise von zwischen 5 ms bis 50 ms, vorzugsweise von zwischen 5 ms bis 40 ms. Damit können selbst schnelle Temperaturänderungen für bestimmte Anwendungsfälle der Erfindung zeitlich ausreichend gut aufgelöst werden. Vorzugsweise wird eine solche bevorzugte zeitliche Auflösung mit aktiv gekühlten Thermokameras erreicht.
Alternativ kann die erste Thermokamera auch eine Bolometerchip-Kamera aufweisen der darstellen. Diese hat üblicherweise eine geringere zeitliche Auflösung als eine oben beschriebene aktiv gekühlte Thermokamera. Beispielsweise kann eine Zeitkonstante der Antwortzeit der Kamera bei 10 ms liegen. Eine Bolometerchip-Kamera hat sich jedoch gerade für den Einsatz zum Feststellen eines thermischen Qualitätsmaßes von Konverteranordnungen als besonders bevorzugt herausgestellt. Denn diese Art von Kamera ist einerseits günstig im Erwerb und Unterhalt (zum Beispiel ist keine Kühlung notwendig). Andererseits ermöglichen es auch die Bolometerchip-Kamera gerade bei Konverteranordnungen, die thermischen Zeitkonstanten von Konverter inklusive Verbindungsschicht deutlich von der des Wärmespreizers zu unterscheiden.
Das erste Bild kann dabei mehrere Pixel aufweisen und für jeden Pixel werden unterschiedliche Bild-Informationen von der Thermokamera geliefert. Anhand dieser Bild-Informationen kann dann vorzugsweise für jeden Pixel eine erste Temperatur ermittelt oder direkt aus der Bild- Information entnommen werden. Letzteres ist besonders dann vorteilhaft, wenn die Thermokamera absolute Temperaturwerte für die einzelnen Pixel bereitstellt, oder ein Maß für eine solche Temperatur. Dies ist sehr effizient und zuverlässig. Alternativ oder ergänzend kann die Temperatur aber auch mit einem oder mehreren nicht ortsaufgelösten Temperatursensoren gemessen werden. In diesem Fall kann die Anzahl der in einem Messzyklus messbaren Teilbereiche durch die Anzahl der Temperatursensoren gegeben sein.
Ein Teilbereich des Oberflächenbereichs kann von einem oder mehreren Pixeln abgedeckt sein. Vorzugsweise wird jeder Teilbereich von mehr als einem Pixel, beispielsweise von wenigstens 5, vorzugsweise von wenigstens 9, vorzugsweise von wenigstens 25, vorzugsweise von wenigstens 49, Pixel abgedeckt. Wenn jeder Bereich von genau einem Pixel abgedeckt wird, kann eine beste Ortsauflösung ermöglicht werden. Optional wird jeder Teilbereich von maximal 10000 Pixel, vorzugsweise von maximal 1000 Pixel, vorzugsweise von maximal 100 Pixel, vorzugsweise von maximal 20 Pixel, vorzugsweise von maximal 10 Pixel, abgedeckt.
Beispielsweise wird jeder Teilbereich von zwischen 2 und 10000 Pixel, vorzugsweise zwischen 2 und 5000 Pixel, vorzugsweise zwischen 2 und 3000 Pixel, vorzugsweise zwischen 2 und 1000 Pixel, vorzugsweise zwischen 2 und 500 Pixel, vorzugsweise zwischen 2 und 300 Pixel, vorzugsweise zwischen 2 und 100 Pixel, vorzugsweise zwischen 2 und 50 Pixel, vorzugsweise zwischen 2 und 25 Pixel, abgedeckt.
Die erste Kamera weist vorzugsweise wenigstens 10000 Pixel, vorzugsweise wenigstens 50000 Pixel, vorzugsweise wenigstens 100000 Pixel, vorzugsweise wenigstens 300000 Pixel, vorzugsweise wenigstens 500000 Pixel, vorzugsweise wenigstens 1000000 Pixel, auf.
Die erste Kamera weist vorzugsweise höchstens 5000000 Pixel, vorzugsweise höchstens 3000000 Pixel, vorzugsweise höchstens 2000000 Pixel, vorzugsweise höchstens 1000000 Pixel, vorzugsweise höchstens 500000 Pixel, vorzugsweise höchstens 300000 Pixel, vorzugsweise höchstens 100000 Pixel, auf.
Die erste Kamera weist vorzugsweise zwischen 100000 und 5000000, vorzugsweise zwischen 100000 und 2000000, vorzugsweise zwischen 300000 und 1000000, vorzugsweise zwischen 300000 und 800000, vorzugsweise zwischen 300000 und 700000, vorzugsweise zwischen 500000 und 700000, Pixel auf.
Wenn ein Teilbereich von mehr als einem Pixel abgedeckt wird, ist es optional möglich die erste Temperatur für diesen Teilbereich aus einem Mittelwert aller Temperaturen der auf diesen Teilbereich entfallenden Pixel zu ermitteln. Beispielsweise kann ein einzelner Teilbereich von vier Pixeln abgedeckt sein. Für jeden Pixel liefert die Thermokamera eine Temperatur T1 bis T4. Dann kann als erste Temperatur für den Teilbereich der sich gemäß (T1+T2+T3+T4)/4 ermittelbare Mittelwert aus allen vier Temperaturen T1 bis T4 verwendet werden. Dadurch kann das Ergebnis der Messung verbessert werden. Wenn ein Pixel nur teilweise innerhalb eines Teilbereichs liegt, wird er vorzugsweise genauso behandelt wie ein Pixel, der komplett innerhalb des Teilbereichs liegt. Das macht das Verfahren sehr effizient und dennoch zuverlässig.
Die größte Kantenlänge eines Pixels einer bevorzugten Thermokamera, insbesondere aufweisend ein Makro-Objektiv, beträgt (a) wenigstens 1 pm, vorzugsweise wenigstens 3 pm, vorzugsweise wenigstens 5 pm, vorzugsweise wenigstens 10 pm, vorzugsweise wenigstens 20 pm, vorzugsweise wenigstens 25 pm, vorzugsweise wenigstens 30 pm, vorzugsweise wenigstens 35 pm, vorzugsweise wenigstens 40 pm, vorzugsweise wenigstens 45 pm, vorzugsweise wenigstens 50 pm, (b) maximal 100 pm, vorzugsweise maximal 80 pm, vorzugsweise maximal 50 pm, vorzugsweise maximal 45 pm, vorzugsweise maximal 40 pm, vorzugsweise maximal 35 pm, vorzugsweise maximal 30 pm, vorzugsweise maximal 25 pm, vorzugsweise maximal 20 pm, vorzugsweise maximal 10 pm, vorzugsweise maximal 5 pm, vorzugsweise maximal 1 pm, und/oder (c) zwischen 1 pm und 100 pm, vorzugsweise zwischen 1 pm und 50 pm, vorzugsweise zwischen 1 pm und 40 pm, vorzugsweise zwischen 10 pm und 40 pm, vorzugsweise zwischen 20 pm und 40 pm, vorzugsweise zwischen 30 pm und 40 pm. Optional sind die Pixel quadratisch und/oder alle Pixel weisen die gleichen Abmessungen auf.
In bevorzugten Ausführungsformen beträgt die Kantenlänge eines quadratischen Pixels 35 pm. Dies ist dann das untere Limit für die Ortsauflösung der opto-thermischen Impedanz. Eine solche Pixelgröße hat sich als besonders vorteilhaft hinsichtlich Kosten und Nutzen herausgestellt.
Wenn insoweit hier von „Pixelgröße“ oder der „Kantenlänge eines Pixels“ die Rede ist, ist damit vorzugsweise die entsprechende Abmessung desjenigen Teils des realen Probenkörpers gemeint, der auf einen Pixel der Thermokamera abgebildet wird. Das heißt, es ist die Abmessung desjenigen Teils des Probenkörpers gemeint, der von dem Pixel des aufgenommenen Bildes erfasst ist. Durch den Einsatz wechselnder Optiken kann damit die hier adressierte Pixelgröße leicht an die jeweiligen Anforderungen angepasst werden.
In einer Ausführungsform wird das erste Bild aus einer Hauptblickrichtung aufgenommen. Optional fällt das Einstrahlungslicht entlang einer Hauptausbreitungsrichtung auf den Probenkörper ein. Es kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die Hauptausbreitungsrichtung des auf den Probenkörper einfallenden Einstrahlungslichts und die Hauptblickrichtung der ersten Thermokamera einen Winkel miteinander einschließen.
Der Winkel beträgt vorzugsweise mindestens 1 Grad, vorzugsweise mindestens 10 Grad, vorzugsweise mindestens 20 Grad, vorzugsweise mindestens 30 Grad, vorzugsweise mindestens 40 Grad, vorzugsweise mindestens 50 Grad, vorzugsweise mindestens 60 Grad, vorzugsweise mindestens 70 Grad, vorzugsweise mindestens 80 Grad.
Der Winkel beträgt vorzugsweise höchstens 90 Grad, vorzugsweise höchstens 80 Grad, vorzugsweise höchstens 70 Grad, vorzugsweise höchstens 60 Grad, vorzugsweise höchstens 50 Grad, vorzugsweise höchstens 40 Grad, vorzugsweise höchstens 40 Grad, vorzugsweise höchstens 20 Grad.
Der Winkel beträgt vorzugsweise zwischen 1 Grad und 90 Grad, vorzugsweise zwischen 5 Grad und 80 Grad, vorzugsweise zwischen 10 Grad und 60 Grad, vorzugsweise zwischen 15 Grad und 45 Grad, vorzugsweise zwischen 20 Grad und 40 Grad.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Messen der zweiten Temperaturen aufweist:
Aufnehmen wenigstens eines zweiten Bildes des Probenkörpers, vorzugsweise zum zweiten Zeitpunkt, mittels wenigstens einer zweiten und/oder der ersten Thermokamera, und Ermitteln der zweiten Temperaturen für jeden Teilbereich aus den Bild-Informationen des wenigstens einen zweiten Bildes, wobei vorzugsweise (i) das aufgenommene zweite Bild eine Vielzahl von Pixeln aufweist, und jeder Teilbereich von wenigstens einem Pixel zumindest teilweise abgedeckt wird, und anhand der von der Kamera zu den einzelnen Pixeln bereitgestellten Bild-Informationen, wie Temperaturwerte, die zweiten Temperaturen ermittelt werden, und/oder (ii) die zweite Temperatur aus mehreren zweiten Bildern berechnet wird, vorzugsweise durch Extrapolation der Temperaturverläufe der einzelnen Pixel für den Zeitpunkt des Ein- oder Ausschaltens des Einstrahlungslichts.
Die zweiten Temperaturen lassen sich besonders zuverlässig mit einer Thermokamera messen. Insbesondere ermöglicht es der Einsatz einer Thermokamera, sämtliche zweiten Temperaturen gleichzeitig oder im Wesentlichen gleichzeitig zu messen.
Da für die Messungen der zweiten Temperaturen entsprechende Ausführungen gelten, wie für die Messungen der ersten Temperaturen, kann hierzu auf die obenstehenden Ausführungen verwiesen werden. Gleiches gilt für die zweite Thermokamera.
Wenn identische Thermokameras zur Aufnahme des ersten und zweiten Bildes verwendet werden, ist es besonders einfach möglich, gleiche Pixel oder Gruppen von Pixeln den gleichen Teilbereichen zuzuordnen. Oder mit anderen Worten ausgedrückt, in beiden Bildern stellen jeweils die gleichen Pixel die Temperatur-Informationen für gleiche Teilbereichen zur Verfügung. Das macht das Verfahren effizient, da beispielsweise in beiden Bildern der Pixel in der X-ten Zeile und Y-ten Spalte denselben wenigstens einen Teilbereich abdeckt. Wenn verschiedene Kameras eingesetzt werden, ist optional eine Zuordnung („Mapping“) der Pixel der einen Kamera zu den Pixeln der anderen Kamera notwendig. Dies kann jedoch ebenfalls sehr einfach anhand einer Kalibrieraufnahme durchgeführt werden.
Vorzugsweise ist die erste und/oder zweite Thermokamera mit einem Kalibrierstandard kalibriert.
Werden als erste und zweite Thermokamera zwei verschiedene Thermokameras eingesetzt, werden die Kameras vorzugsweise mit demselben Kalibrierstandard kalibriert. Dadurch ist sichergestellt, dass die Werte beider Kameras miteinander kombiniert werden können.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Ermitteln eines Qualitätskennwertes eines Teilbereichs aufweist:
Berechnen des Qualitätskennwertes des Teilbereichs, zumindest basierend auf einer Temperaturdifferenz, die zwischen der ersten Temperatur des Teilbereichs und der Referenztemperatur des Teilbereichs gebildet wird, wobei vorzugsweise zur Berechnung des Qualitätskennwertes (i) ferner die Temperaturdifferenz durch die auf den jeweiligen Teilbereich einfallende Lichtleistung dividiert wird, (ii) die Temperaturdifferenz durch den Quotienten aus der auf den jeweiligen Teilbereich einfallenden Lichtleistung und dessen Fläche dividiert wird und/oder (iii) die auf den jeweiligen Teilbereich einfallende Lichtleistung des Einstrahlungslichtes, insbesondere indem die Differenz der Temperaturen durch die Lichtleistung dividiert wird, berücksichtigt wird.
Indem jeweils die Temperaturdifferenz berechnet wird, kann die Temperaturerhöhung, beispielsweise als absoluter Wert in Kelvin oder als Maß, die jeder Teilbereich des Oberflächenbereichs des Probenkörpers infolge der Bestrahlung mit Einstrahlungslicht erfahren hat einfach und zuverlässig ermittelt werden.
In einer Ausführungsform führt eine größere Temperaturdifferenz eines Teilbereichs zu einem größeren Qualitätskennwert des jeweiligen Teilbereichs.
Optional wird in Ausführungsformen eine Kalibriermessung für die Bestrahlungsstärke durchgeführt, indem das Strahlprofil des auf einen homogenen Probenkörper auftreffenden Anregungslichts mit einer Kamera vermessen wird. Die Kamera kann sogar die mindestens eine Thermokamera sein. Eine Normierung kann dabei auf die optische Gesamtleistung, die auf den Oberflächenbereich entfällt, optional erfolgen. Dadurch wird wenigstens für jeden Teilbereich die Information hinsichtlich der Bestrahlungsstärke mit der Einheit Watt pro Quadratmillimeter ([W/mm2]) ermittelt.
Die opto-thermische Impedanz kann dann vorteilhafterweise als Temperaturantwort dividiert durch das normierte Leistungsdichteprofil ermittelt werden. Oder mit anderen Worten, die opto- thermische Impedanz entspricht für jeden Teilbereich der dortigen Temperaturerhöhung infolge der Bestrahlung dividiert durch die normierte Bestrahlungsstärke für diesen Teilbereich.
Optional kann das Ermitteln eines Qualitätskennwertes eines Teilbereichs aufweisen:
Berechnen des Qualitätskennwertes des Teilbereichs ferner auch basierend auf einer Ausstrahlungsstromdichte des in den jeweiligen Teilbereich einfallenden Einstrahlungslichtes, insbesondere wenn diese von der auf den jeweiligen Teilbereich einfallenden Bestrahlungsstärke des Einstrahlungslichtes subtrahiert wird.
Mit anderen Worten, wird die gemessene Temperaturerhöhung nicht auf die gesamte Bestrahlungsstärke bezogen, sondern nur auf die tatsächlich absorbierte Leistung des Einstrahllichts in dem jeweiligen Teilbereich. Diese ergibt sich aus der Bestrahlungsstärke abzüglich der Ausstrahlungsstromdichte.
Die Ausstrahlungsstromdichte setzt sich vorzugsweise zusammen aus der Fresnel-Reflexion des (blauen) Einstrahlungslichts, der diffusen Reflexion des (beispielsweise blauen) Einstrahlungslichts durch Rückstreuung im Konvertermaterial und der Emission des durch photolumineszenz erzeugten, konvertierten Lichtes. Die Messung dieser Größen ist direkt oder indirekt durch dem Fachmann bekannte Messtechniken möglich. Beispielsweise kann in separaten Versuchen ein Reflexionsgrad als Quotient von Ausstrahlungsstromdichte und Bestrahlungsstärke ermittelt werden, mit Hilfe dessen dann die Ausstrahlungsstromdichte aus der gemessenen Bestrahlungsstärke ermittelt werden kann.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass das Verfahren ferner aufweist: Feststellen von, vorzugsweise lokalen, Anomalitäten des Probenkörpers basierend auf den ermittelten Qualitätskennwerten der Teilbereiche, wobei das Feststellen von Anomalitäten des Probenkörpers vorzugsweise aufweist: Feststellen von Teilbereichen, deren Qualitätskennwert einen Grenzwert überschreiten, unterschreiten und/oder innerhalb definierter oder definierbarer Grenzen verlaufen, als Anomalitäts-Teilbereiche, und vorzugsweise Zuordnen der Anomalitäts-Teilbereiche zu einem oder mehreren Flächen- und/oder Volumen-Bereichen des Probenkörpers und/oder charakterisieren und/oder klassifizieren der Anomalitäts-Teilbereiche hinsichtlich des Typs der Anomalität, wie insbesondere Delamination, Blasen-Einschluss, Partikel und/oder Verschmutzung auf der Oberfläche, und/oder Einschluss oder Verschmutzung im Volumen.
Das Feststellen von Anomalitäten, insbesondere von besagten Teilbereichen, kann aufweisen: Verarbeiten, insbesondere mittels eines Filters, ein Ergebnis der Auswertung zumindest der ersten Temperaturen und Referenztemperaturen sowie der einfallenden Lichtleistung und Feststellen von Anomalitäten auf Grundlage zumindest eines Ergebnisses der Verarbeitung. Der Filter kann beispielsweise ein Filter aus dem Bereich der Bildverarbeitung sein, und beispielsweise einen Kantendetektor aufweisen.
Als weiterer Filter aus dem Bereich der Bildverarbeitung kann ein Schwellenwert-Filter mit dynamischer Schwellenwertanpassung vorgesehen sein. Damit können z.B. Pixel oder Teilbereiche identifiziert werden, deren Wert um einen bestimmten Faktor über dem Mittelwert oder Median eines Auswertebereiches liegt. Übersteigt die Anzahl zusammenhängender Pixel oder die Summe der Pixelwerte zusammenhängender Pixel einen bestimmten Wert, so liegt eine lokale Anomalie vor.
Es kann aber beispielsweise auch die Verteilungsdichte der Pixelwerte bestimmt werden und der Wert eines bestimmten Perzentils bestimmt werden. Liegt dieser über einem Grenzwert, so kann dadurch auf das Vorliegen einer Anomalie erkannt werden.
Es können ein oder mehrere Anomalitäts-Teilbereiche zu einer einzelnen Anomalität gehören. Beispielsweise können mehrere Teilbereiche aufgrund einer Anomalität eine erhöhte Temperatur aufweisen. Ein einzelner Anomalitäts-Teilbereich kann zu mehr als einer Anomalität gehören. Beispielsweise können zwei Anomalitäten im selben Teilbereich zu erhöhter Aufheizung führen.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass (i) der Oberflächenbereich des Probenkörpers homogen mit dem Einstrahlungslicht bestrahlt wird, insbesondere die Bestrahlungsstärke an zwei verschiedenen Orten des Oberflächenbereichs um höchstens 20%, vorzugsweise um höchstens 10%, vorzugsweise um höchstens 5%, vorzugsweise um höchstens 1%, unterschiedlich ist; (ii) die Bestrahlungsstärke an jedem Ort des Oberflächenbereichs des Probenkörpers (a) mindestens 0,1 Watt/mm2, vorzugsweise mindestens 1 Watt/mm2, vorzugsweise mindestens 3 Watt/mm2, vorzugsweise mindestens 5 Watt/mm2, vorzugsweise mindestens 10 Watt/mm2, vorzugsweise mindestens 30 Watt/mm2, vorzugsweise mindestens 50 Watt/mm2, vorzugsweise mindestens 70 Watt/mm2, (b) höchstens 100 Watt/mm2, vorzugsweise höchstens 50 Watt/mm2, vorzugsweise höchstens 10 Watt/mm2, vorzugsweise höchstens 5 Watt/mm2, vorzugsweise höchstens 3 Watt/mm2, vorzugsweise höchstens 1 Watt/mm2, und/oder (c) zwischen 0,1 Watt/mm2 und 100 Watt/mm2, vorzugsweise zwischen 1 Watt/mm2 und 50 Watt/mm2, vorzugsweise zwischen 1 Watt/mm2 und 30 Watt/mm2, vorzugsweise zwischen 1 Watt/mm2 und 10 Watt/mm2, vorzugsweise zwischen 1 Watt/mm2 und 5 Watt/mm2, beträgt; und/oder
(iii) das Einstrahlungslicht Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich aufweist, insbesondere im Wellenlängenbereich von 430 nm bis 490 nm, vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 445 nm bis 465 nm, und/oder von einem Laser stammt.
Indem der Oberflächenbereich homogen bestrahlt wird, kann das thermische Qualitätsmaß des Probenkörpers besonders zuverlässig festgestellt werden.
Mit besagten Bestrahlungsstärken kann auch innerhalb kurzer Zeitfenster eine ausreichende Aufheizung der maßgeblichen Strukturen des Probenkörpers erfolgen.
Wenn das Einstrahlungslicht aus dem besagten Wellenlängenbereich stammt, entspricht es gerade dem Licht, das auch in bevorzugten Anwendungsszenarien im realen Einsatz verwendet wird. Damit kann ein für reale Anwendungsfälle praktikables und sinnvolles thermisches Qualitätsmaß festgestellt werden, und insbesondere können die für die realen Anwendungsfälle relevanten Anomalitäten festgestellt werden.
Bestimmte Vorteile und besondere Ausführungsformen der Erfindung wurden oben und werden im Folgenden ganz oder teilweise anhand eines Probenkörper in Gestalt einer Konverteranordnung beschrieben. Jedoch können diese Vorteile und Ausführungsformen selbstverständlich auch bei Probenkörper anderer Gestalt gleichermaßen relevant sein. Gerade bei Probenkörper, bei denen verschiedene Elemente mit jeweils unterschiedlichen Wärmekapazitäten vorhanden sind, können die Vorteile der Erfindung besonders gut ausgenutzt werden.
Alternativ oder ergänzend kann auch vorgesehen sein, dass (i) der Temperaturabfall der bestrahlten Teilbereiche nach dem Ende der Bestrahlung bei der Ermittlung des Maßes für eine Temperaturverteilung der einzelnen Teilbereiche berücksichtigt wird und/oder (ii) eine Mittelung und/oder Extrapolation der Temperaturverläufe der einzelnen Teilbereiche vor, während und/oder nach dem Einschalten des Einstrahlungslichtes durchgeführt und bei der Ermittlung des Maßes für eine Temperaturverteilung der einzelnen Teilbereiche berücksichtigt wird.
Eine gute Anbindung des Wärmespreizers an die Wärmesenke ermöglicht es, auch bei kleinen Wärmespreizern die opto-thermische Impedanz des Konverters gut messen zu können.
Eine Mittelung oder Extrapolation der Temperaturverläufe vor, während und/oder nach dem Einschalten des Lichts, ermöglicht es, das Rauschen der Thermographie zu verringern. Dies kann optional dann auch für die Bestimmung der Irradiance verwendet werden.
Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß einem zweiten Aspekt dadurch gelöst, dass eine Vorrichtung, aufweisend eine Lichtquelle, wie insbesondere einen Laser, zum Aussenden von Einstrahlungslicht und wenigstens eine Messvorrichtung, wie insbesondere wenigstens eine Thermokamera, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, (i) ein Verfahren gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auszuführen und/oder (ii) zumindest das Folgende auszuführen:
Bestrahlen zumindest eines Oberflächenbereichs eines Probenkörpers mit Einstrahlungslicht aus der Lichtquelle;
Messen von einer ersten Temperatur für jeweils jeden von einem oder mehreren Teilbereichen des Oberflächenbereichs mit der Messvorrichtung; und/oder
Ermitteln eines Qualitätskennwertes für jeden Teilbereich basierend auf der für den jeweiligen Teilbereich gemessenen ersten Temperatur und einer Referenztemperatur des Teilbereichs sowie der auf den jeweiligen Teilbereich einfallenden Lichtleistung des Einstrahlungslichtes, insbesondere mittels einer von der Vorrichtung ferner umfassten Recheneinheit, vorgeschlagen wird.
Die Vorrichtung eignet sich somit besonders gut, um das erfindungsgemäße Verfahren, oder Teile davon, auszuführen.
Die Thermokamera kann dabei die erste Thermokamera gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sein. Das Messen der zweiten Temperaturen kann mit der zweiten Thermokamera gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung erfolgen. Die Vorrichtung weist daher optional ferner eine weitere Thermokamera auf. Vorzugsweise kann das Feststellen des thermischen Qualitätsmaßes und/oder das Feststellen von Anomalitäten des Probenkörpers mittels der Recheneinheit erfolgen. Die Recheneinheit kann einen Computer darstellen oder aufweisen.
Thermische Kenndaten für Konverter und Wärmespreizer
Die folgende (zweigeteilte) Tabelle zeigt eine Übersicht mit den thermischen Kenndaten von exemplarischen Konvertern und Wärmespreizer.
Figure imgf000033_0002
Figure imgf000033_0003
Beispielrechnunq
Für den Wärmefluss durch einen Körper von einer Wärmequelle zur Wärmesenke ist der thermische Widerstand R_th definiert.
Figure imgf000033_0001
Wenn es sich bei dem Körper um ein Plättchen der Fläche A und der Dicke d mit der Wärmeleitfähigkeit lambda handelt, ist R_th aus diesen Daten zu berechnen: Rth = ^ [K/W_th]
Wie vereinbart sprechen wir hier von thermischer Impedanz, wenn die Definition auf eine
Wärmestromdichte dPth dA verallgemeinert wird In diesem Fall gilt:
Figure imgf000034_0001
Für einen keramischen Konverter mit einer Dicke von d=100 pm und einer thermischen
Leitfähigkeit von 2 =
Figure imgf000034_0002
ergibt sich eine thermische Impedanz von 16,7 Kmm2/W. Bei einem Eintrag von einer thermischen Leistungsdichte von 1 W/mm2 wird sich also die Temperatur des Konverters um 16,7 K erhöhen.
Bei einem statischen Konverter wird die thermische Leistung aber nicht direkt, sondern als optische Leistung eingetragen. Es gilt also, den thermischen Leistungseintrag aus dem optischen Leistungseintrag zu bestimmen.
Wird die auf einen Konverter eingestrahlte optische Leistung betrachtet, so lassen sich für exemplarische Konverter folgende Beobachtungen machen:
Es tritt eine Fresnel-Reflexion an der Oberfläche des Konverters auf(typischer Wert: HFresnei = 3% der Eingangsleistung)
Es tritt eine diffuse Reflexion im Volumen des Konverters auf (typischer Wert: r|R_diffus = 7 % der Eingangsleistung)
Es tritt eine Emission des Lumineszenzlichts auf (typischer Wert: remission = 60% der Eingangsleistung)
Es tritt eine thermische Verlustleistung auf (typischer Wert Thermisch = 30%).
Um die thermische und die optische Leistung unterscheidbar zu machen, wird die Einheit Watt ab nun mit W_therm bzw. W_opt indiziert. Analog zum thermischen Widerstand kann nun der opto-thermische Widerstand definiert werden, der angibt, mit welcher Erhöhung der Oberflächentemperatur eine Probe auf eine eingestrahlte optische Leistung reagiert.
Figure imgf000035_0001
Gleiches gilt für die opto-thermische Impedanz
Figure imgf000035_0002
Damit ergibt sich für das genannte Beispiel aus der thermischen Impedanz von 16,7 K und dem thermischen Leistungsanteil von 30% eine opto-thermische Impedanz von 5 K mm2 / W_opt.
Diese ist geringer als die thermische Impedanz von 16,7 Kmm2/W_therm, da ja nur ein Teil der eingebrachten optischen Leistung zur Temperaturerhöhung beiträgt.
Bisher wurde angenommen, dass die die Umwandlung von optischer in thermische Leistung sowie die die rein thermische Impedanz räumlich konstant sind. Dies muss aber nicht der Fall sein, da es lokale Absorptionszentren geben kann, die zu einem erhöhten Wärmeeintrag führen kann. Auch die thermische Impedanz kann z.B. durch Blasen in der Lotschicht oder durch lokale Ablösungen an der Konverter-Lot-Grenzschicht lokal verschlechtert sein.
Dies führt bei vorgegebener Bestrahlungsstärke zu lokalen Temperaturerhöhungen gegenüber Orten auf der Probenoberfläche, die mit der gleichen Bestrahlungsstärke bestrahlt werden.
Kurzbeschreibung der Figuren
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen erläutert werden.
Dabei zeigen:
Fig. 1a eine perspektivische Ansicht einer Lumineszenzkonverteranordnung in einer ersten Ausführungsform;
Fig. 1b die Lumineszenzkonverteranordnung aus Fig. 1a in einer Schnittansicht; Fig. 1c eine Schnittansicht einer Lumineszenzkonverteranordnung in einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 2a eine perspektivische Illustration des bestimmungsgemäßen Gebrauchs der Lumineszenzkonverteranordnung aus Figs. 1a-b;
Fig. 2b die Illustration aus Fig. 2a als Schnittansicht und mit weiteren Details;
Fig. 3 eine schematische Querschnittsansicht einer Lumineszenzkonverteranordnung mit Anomalitäten;
Fig. 4 einen Aufbau zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens;
Fig. 5 eine Illustration eines während des Verfahrens aufgenommenen Kamerabildes;
Fig. 6 ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Temperatur eines Teilbereichs eines Probenkörpers;
Fig. 7a-b Illustrationen von Ergebnissen des Auswertens von Temperaturen von Teilbereichen von Probenkörper;
Fig. 8a-b Illustrationen von Ergebnissen des Auswertens von Temperaturen von Teilbereichen von Probenkörper jeweils mit und ohne Berücksichtigung der auf die Teilbereiche einfallende Lichtleistung;
Fig. 9a-b Illustrationen von Ergebnissen des Auswertens von Temperaturen von Teilbereichen von Probenkörper jeweils mit und ohne Berücksichtigung der auf die Teilbereiche einfallende Lichtleistung;
Fig. 10 ermittelte Qualitätskennwerte für zwei unterschiedlich dicke homogene Probenkörper; und
Fig. 11 eine ortsaufgelöste Messung der Qualitätskennwerte eines Probenkörpers sowie eine Röntgenaufnahme dessen.
Beispiele
Figur 1a zeigt eine perspektivische Ansicht einer Lumineszenzkonverteranordnung 1 in einer ersten Ausführungsform. Fig. 1b zeigt eine Schnittansicht der Anordnung 1. Die Lumineszenzkonverteranordnung 1 wird im Folgenden gelegentlich auch einfach als Konverteranordnung 1 oder nur als Anordnung 1 bezeichnet. Die Lumineszenzkonverteranordnung 1 stellt einen keramischen Lumineszenzkonverter für eine laserangeregte Photolumineszenzlichtquelle dar. Die Anordnung 1 weist insoweit ein Keramiksubstrat 3 auf. Das Keramiksubstrat 3 ist auf einer Hauptseite vollflächig mit einer Silberbeschichtung 7 beschichtet (nicht dargestellt in Fig. 1a). Das Keramiksubstrat 3 ist mittels einer (in Fig. 1a ebenfalls nicht dargestellten) Lötverbindung 9 auf einem Wärmespreizer 5 aus Kupfer angeordnet. Optional weist das Keramiksubstrat 3 auf der anderen Hauptseite eine Antireflexbeschichtung auf.
In Fig. 1b sind die Silberbeschichtung 7 und die Lötverbindung 9 erkennbar.
Das Keramiksubstrat 3 hat Abmessungen von 4x4x0,150 mm3. Und der Wärmespreizer 5 hat Abmessungen von 20x20x4 mm3. Die Dicke der Silberschicht beträgt 12pm. Die Dicke der Lotschicht beträgt 30pm. Die Abbildung ist nicht maßstäblich.
Figur 1c zeigt eine Schnittansicht einer Konverteranordnung 1 in einer zweiten Ausführungsform. Dabei sind gleiche Merkmale der Einfachheit halber mit gleichen Bezugszeichen versehen. Das Keramiksubstrat 3 ist mittels einer transparenten Klebeschicht 10 auf einem Wärmespreizer 5 aus Aluminium angeordnet, der mit einer Spiegelschicht 8 versehen ist. Diese Variante der Konverteranordnung ist bei Konverterrädern vorteilhaft, bei der der Wärmespreizer aus einem kreisförmigen Aluminiumblech mit Mittelbohrung besteht. Ein Beispiel ist ein Konverterrad-Wärmespreizer mit einer Dicke von 1mm und einem Durchmesser von 65 mm.
Figur 2a zeigt eine perspektivische Illustration eines Gebrauchs der Lumineszenzkonverteranordnung 1 aus Figs. 1a-b. Fig. 2b zeigt eine Schnittansicht der Illustration mit weiteren optionalen Details der Anordnung 1.
Bei dem Gebrauch der Anordnung 1 wird das Keramiksubstrat 3 mit einem Laserstrahl 11 im blauen Wellenlängenbereich bestrahlt. Teile des einfallenden Lichtstrahls 11 werden mittels Photolumineszenz in gelbes Licht 13 umgewandelt, das von dem Keramiksubstrat 3 emittiert wird. Das ausgestrahlte Licht 13 durchläuft eine Optik 15 in Form einer Linse. Andere Anordnungen wandeln den einfallenden Laserstrahl beispielsweise in grünes oder rotes Licht um. Andere Geometrien für den Gebrauch der Anordnung, in denen das Einstrahlungslicht 11 beispielsweise ebenfalls durch die Optik geführt wird, sind ebenfalls möglich.
Es wird also zumindest ein Teil der eingestrahlten Lichtleistung für das Erzeugen von gelbem Licht mittels Photolumineszenz verwendet. Da dabei die Photonen des durch Photolumineszenz erzeugten Ausstrahlungslichts 15 eine geringere Energie haben als die Photonen des Einstrahlungslichts 11, wird innerhalb des Keramiksubstrats 3 bzw. unterhalb des bestrahlten Oberflächenbereichs der Anordnung 1 Wärme erzeugt, insbesondere also im Bereich des
Keramiksubstrats 3
Die im Keramiksubstrat 3 erzeugte Wärme wird über den Wärmespreizer 5 abgeführt. Optional kann der Wärmespreizer 5 für die weitere Abfuhr der Wärme noch mit einer (in Fig. 2b dargestellten) Wärmesenke 6 verbunden sein.
Figur 3 zeigt eine schematische Querschnittsansicht einer Lumineszenzkonverteranordnung 1 mit Anomalitäten. Es werden hierbei für gleiche Merkmale, wie sie bereits in Bezug auf Figs. 1a- c und Figs. 2a-b besprochen wurden, die gleichen Bezugszeichen verwendet, wenngleich es sich bei der Anordnung der Fig. 3 nicht um identische Anordnungen der Figs. 1 a-c und/oder 2a- b handeln muss.
Fig. 3 ist eine Anomalität 17 der Anordnung 1 in Form eines Hohlraums in der Lotschicht 9 zu entnehmen. Bei dem Hohlraum kann es sich um einen Lufteinschluss handeln, wodurch die Lotschicht 9 nicht durchgehend homogen ist.
Fig. 3 zeigt eine weitere Anomalität 19 der Anordnung 1 in Form einer bereichsweisen Delamination der Silberbeschichtung 7 von der unteren Hauptseite des Keramiksubstrats 3.
Beiden Anomalitäten 17 und 19 ist gemein, dass sie den Wärmetransport der durch das einfallende Einstrahlungslicht im Keramiksubstrat 3 erzeugten Wärme zum Wärmespreizer 5 beeinflussen. Solch ein Beeinflussen kann zu einem lokalen Temperaturanstieg innerhalb der Anordnung 1 führen, was letztlich auch zu einer Überhitzung der betroffenen Bereiche führen kann. Dieser lokale Temperaturanstieg wird häufig auch als thermischer Hotspot bezeichnet.
Fig. 3 zeigt weitere Anomalitäten 20 der Anordnung 1 in Form von lokalen Absorptionszentren auf der Oberfläche oder im Volumen des Keramiksubstrats 3. Dies kann bei Anomalitäten auf der Oberfläche eine Verschmutzung oder ein anhaftender Partikel sein. Im Volumen können Einschlüsse oder Verunreinigungen vorliegen. Die Anomalität 20 erhöht den Wärmeeintrag durch eine erhöhte Lichtabsorption und erzeugt somit ebenfalls einen thermischen Hotspot, auch wenn der Wärmetransport zum Wärmespreizer 5 keine Anomalität aufweist.
Ein thermischer Hotspot kann je nach Ausprägung zu einer verminderten Leistung der Anordnung 1 bis hin zu deren Zerstörung führen. Daher sind solche Anomalitäten unerwünscht und davon betroffene Anordnungen, wie die Anordnung 1 der Fig. 3, sollen möglichst früh erkannt und aussortiert werden. Für ein Feststellen solcher Anomalitäten kann das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden. Denn mit dem Verfahren kann ein thermisches Qualitätsmaß des Probenkörpers in Form der Anordnung 1 festgestellt werden und ausgehend davon auf das Vorliegen einer Anomalität geschlossen werden. Fig. 4 zeigt einen Aufbau zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Die Anordnung 1 ist in Fig. 4 lediglich mit ihrem Keramiksubstrat 3 und Wärmespreizer 5 angedeutet. Und wieder werden für gleiche Merkmale die gleichen Bezugszeichen verwendet, wie sie auch bereits bei den Figs. 1a-c, 2a-b und 3 verwendet wurden.
Mittels eines Lasers 21 wird über einen Lichtleiter 23 an einem Auskoppelelement 25 mit rechteckigem Querschnitt blaues Einstrahlungslicht 27 ausgestrahlt und mittels einer Optik 29 in Form einer Linse auf die Anordnung 1 gerichtet. Damit wird ein Oberflächenbereich der Anordnung 1 mit dem Einstrahlungslicht 27 bestrahlt. Das Einstrahlungslicht 27 ist dabei vorteilhafterweise so gewählt, dass es wellenlängenmäßig dem Laserlicht entspricht, das auch bei dem tatsächlichen Gebrauch der Anordnung 1 zum Einsatz kommt.
Die Anordnung 1, insbesondere der bestrahlte Oberflächenbereich, wiederum wird von dem Aufnahmebereich einer Thermokamera 31 erfasst. Die Hauptblickrichtung der Kamera 31 und die Hauptausbreitungsrichtung des Einstrahlungslichts 27 schließen beispielsweise einen Winkel von 30 Grad ein.
Der Bildausschnitt, den die Thermokamera von der Anordnung 1 erfasst, kann unter anderem durch eine in Fig. 4 nicht dargestellte Optik angepasst, insbesondere verkleinert (herausgezoomt) oder vergrößert (hineingezoomt) werden. Die Thermokamera 31 kann zu bestimmten Zeitpunkten ein Bild der Anordnung 1 aufnehmen.
Fig. 5 zeigt eine Illustration eines während des Verfahrens mit der Thermokamera 31 aufgenommenen Kamerabildes von der Anordnung 1.
Die Optik der Thermokamera 31 ist dergestalt gewählt, dass das gesamte Keramiksubstrat 3 sowie ein Teil des Wärmespreizers 5 auf dem Kamerabild zu sehen sind. Das Kamerabild wird dabei durch mehrere Pixeln 33 aufgebaut. Aufgrund der gewählten Optik und die gewählte relative Positionierung von Kamera 31 und Anordnung 1 zueinander wird das Keramiksubstrat 3 vorliegend von neun Pixel 33 abgedeckt. Die übrigen der 35 Pixel 33 decken den erfassten Teil des Wärmespreizers 5 ab. Die Anzahl der Pixel ist in der Zeichnung der Übersichtlichkeit halber stark reduziert. Ein typisches Kamerabild kann beispielsweise aus 640 x 480 oder 640 x 120 Pixeln bestehen. Vorliegend deckt jeder Pixel gerade einen Teilbereich des Oberflächenbereichs der Anordnung 1 ab. Es wäre aber auch möglich, dass einige oder alle Teilbereiche durch jeweils mehrere Pixel abgedeckt werden.
Typischerweise wird vorteilhafterweise für ein Keramiksubstrat eine Qualitätszone definiert, innerhalb derer die optothermische Impedanz bestimmte Grenzwerte nicht überschreiten darf, innerhalb derer also ein bestimmtes Maß einer thermischen Mindest-Qualität bestehen muss und/oder innerhalb derer es keine lokalen Anomalitäten geben darf.
Die Thermokamera stellt zu jedem Pixel 33 einen Temperaturwert bereit. Somit kann aus dem von der Anordnung 1 aufgenommenen Bild jedem Teilbereich des Oberflächenbereichs der Anordnung 1 , der gerade von einem Pixel 33 abgedeckt ist, ein Temperaturwert zugeordnet werden.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm mit dem zeitlichen Verlauf der Temperatur eines Teilbereichs des Probenkörpers. Um genau zu sein, zeigt das Diagramm den Temperatur-Verlauf des mittleren Pixels 33 des Keramiksubstrats 3 (siehe Fig. 5).
Der Laser 21 wird zu einem bestimmten Zeitpunkt eingeschaltet, so dass dann die Bestrahlung der Anordnung 1 mit Einstrahlungslicht 27 beginnt.
Nach dem Beginn der Bestrahlung steigt der Temperaturwert innerhalb eines Zeitraums von etwa 0, 1 Sekunden von einem Wert „T2“ von ungefähr 23,3 °C auf einen Wert „T 1 “ von ungefähr 28,0 °C zum Zeitpunkt „X1“ an. Anschließend steigt der Temperaturwert weiter an, wenngleich dieser Anstieg erkennbar langsamer erfolgt und zu einem Grenzwert, welcher jedoch hier nicht näher von Interesse ist, tendiert. Daher kann die Bestrahlung nach dem Zeitpunkt X1 beendet werden und es können in sehr kurzen Zeitabständen viele aufeinanderfolgende Messungen durchgeführt werden.
Vor dem Einschalten liefert die Thermokamera 31 für den zentralen Pixel 33 einen Temperaturwert „T2“ von ungefähr 23,3 °C zu einem Zeitpunkt „X2“.
Es muss dazu gesagt werden, dass die von der Thermokamera 31 gelieferten Temperaturwerte auch lediglich Maße für eine Temperatur darstellen könnten und daher absolute Temperaturwerte nicht unbedingt notwendig sind. Vorliegend wird eine Temperaturdifferenz (T1-T2) von 4,7 K ermittelt. Das heißt, infolge der Bestrahlung mit dem Einstrahlungslicht 27 hat sich der von dem zentralen Pixel 33 abgedeckte Teilbereich des Oberflächenbereichs des Keramiksubstrats 3 um 4,7 K erwärmt. Anstatt zu den ersten und zweiten Zeitpunkten X1 und X2, die um den Beginn des Bestrahlens herum liegen, die ersten und zweiten Temperaturen T1 und T2 zu messen, könnte auch zu einem ersten Zeitpunkt X3 die Temperatur T3 und zu einem zweiten Zeitpunkt X4 die Temperatur T4 gemessen werden. Hierbei liegen die Zeiten X3 und X4 zeitlich um das Beenden des Bestrahlens herum.
Da die Abkühlung des Konverters mit den gleichen Zeitkonstanten erfolgt wie das Aufheizen, kann der Temperaturverlauf beim Ausschalten des Einstrahllichts ebenfalls zur Bestimmung der Temperaturdifferenz AT = T3 - T4 verwendet werden. Die Temperaturdifferenz sollte auf Grund theoretischer Überlegungen identisch sein zu der Temperaturdifferenz AT = T1-T2. Optional könnte sogar zu allen vier Zeitpunkten (T1, T2, T3, T4) gemessen und zwei Werte für AT bestimmt und darauf basierend ein Mittelwert aus diesen beiden ermittelten
Temperaturdifferenzen bestimmt werden. Dadurch ließen sich Messfehler minimieren. Der Mittelwert könnte auch aus einer ganzen Serie von schnell aufeinanderfolgenden Bestrahlungspulsen ermittelt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, einen Oberflächenbereich der Anordnung 1 in Teilbereiche zu unterteilen. Es wird dann zu einem ersten Zeitpunkt (beispielsweise entsprechend dem Zeitpunkt „X1“), der nach dem Beginn und während des Bestrahlens der Anordnung 1 liegt, zu jedem Teilbereich eine erste Temperatur gemessen.
Außerdem wird zu einem zweiten Zeitpunkt (beispielsweise entsprechend dem Zeitpunkt „X2“), der vor dem Beginn des Bestrahlens der Anordnung 1 liegt, zu jedem Teilbereich eine zweite Temperatur gemessen. Diese zweite Temperatur ist die Referenztemperatur des jeweiligen Teilbereichs.
Dazu wird vorliegend mit der Thermokamera 31 zu dem ersten Zeitpunkt ein erstes Bild mit der Thermokamera aufgenommen. Wie oben erwähnt, werden die einzelnen Teilbereiche vorliegend durch die Pixel 33 bestimmt. Damit liegen für den ersten Zeitpunkt 5x7=35 erste Temperaturen vor, da jeder Pixel 33 der Thermokamera 31 ein Temperaturwert bereitstellt, der ein erster Temperaturwert ist, da er für den jeweiligen Teilbereich zum ersten Zeitpunkt gemessen wurde.
Zuvor wurde mit der Thermokamera 31 zu einem zweiten Zeitpunkt ein zweites Bild mit der Thermokamera 31 aufgenommen. Der zweite Zeitpunkt liegt vor dem Beginn des Bestrahlens der Anordnung 1. Entsprechend stellt auch hier die Thermokamera 31 für jeden Pixel 33 einen Temperaturwert bereit, der ein zweiter Temperaturwert ist, da er für den jeweiligen Teilbereich (d.h. Pixel) zum zweiten Zeitpunkt gemessen wurde. Anschließend werden die gemessenen ersten und zweiten Temperaturen, vorliegend also insgesamt 2x35=70 Stück, ausgewertet. Dies erfolgt derart, dass die Differenz zwischen beiden Temperaturen ermittelt wird, indem die zweite Temperatur von der ersten Temperatur abgezogen wird.
Um den Qualitätskennwert für einen Teilbereich zu ermitteln, wird die Temperaturdifferenz auf die Lichtleistung des auf den Teilbereich einfallenden Einstrahlungslicht bezogen. Dadurch wird eine etwaig ungleichmäßige Ausleuchtung der Anordnung 1 durch das Einstrahlungslicht 27 berücksichtigt. Dadurch wird folglich vor allem berücksichtigt, dass sich ein Oberflächenteilbereich eines idealen (homogenen) Probenkörpers, auf welchen weniger Lichtleistung einfällt, auch grundsätzlich weniger stark erwärmen wird, als ein Teilbereich, auf den eine größere Lichtleistung einfällt.
Der jeweilige Wert der Lichtleistung kann freilich für die einzelnen Teilbereiche, mithin die einzelnen Pixel 33, jeweils unterschiedlich sein. Die einzelnen Werte der Lichtleistung können beispielsweise durch eine vorausgegangene Vermessung des Einstrahlungslichts 27 in einer Ebene des Probenkörpers ermittelt worden sein.
Basierend auf der Auswertung der Temperaturen sowie der Lichtleistung der einzelnen Teilbereiche können anschließend die Qualitätskennwerte der Teilbereiche und damit ein ortsaufgelöstes thermisches Qualitätsmaß des Probenkörpers festgestellt werden. Anhand des thermischen Qualitätsmaßes können dann Anomalitäten, wie etwa ein Hohlraum 17 oder eine Delamination 19, der Anordnung 1 festgestellt werden.
Beispielsweise können dazu die Qualitätskennwerte durch Anwendung eines geeigneten Filters, beispielsweise ein Filter aus dem Bereich der Bildverarbeitung, insbesondere in Form eines Kantendetektors, ausgewertet und so Anomalitäten festgestellt werden.
In einer alternativen Ausführungsform werden die erste und zweite Temperatur, T1 und T2, nicht direkt gemessen, sondern durch ein Extrapolationsverfahren ermittelt. Dazu werden die Temperaturverläufe in Bereichen vor und nach Einschalten des Lasers mit linearen oder auch komplexeren Funktionen interpoliert. Anschließend werden diese Funktionen zu einem Zeitpunkt extrapoliert, der vorzugsweise zwischen der Messung von T 1 und T2 liegt, vorzugsweise ist dies der Einschaltzeitpunkt des Lasers. So werden die erste Temperatur T 1 und die zweite Temperatur T2 sowie die Temperaturdifferenz ermittelt. Dieses Vorgehen kann analog auch für den Temperaturabfall beim Ausschalten der Bestrahlung verwendet werden. Der Vorteil dieser Alternative kann in einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis liegen. Zudem kann der Einfluss des langsamen Temperaturanstiegs durch Erwärmung des Wärmespreizers reduziert werden. So kann auch der Messfehler bei der Messung von Proben mit kleinerem Wärmespreizer verringert werden.
Fig. 7a zeigt eine Illustration des Ergebnisses des Auswertens von Qualitätskennwerten von Teilbereichen eines realen Probenkörpers. Zu sehen ist der in Teilbereiche gerasterte Probenkörper, wobei jeder Teilbereich einen Wert gemäß der dort ermittelten Temperaturdifferenz in Bezug auf die auf den jeweiligen Teilbereich entfallende Lichtleistung aufweist. Der Wert ist zur Visualisierung als Muster dargestellt und Teilbereiche mit gleichen Werten sind gleich gemustert. Diese Darstellungsform ist analog der Darstellung einer „Heat Map“ gewählt, um die Werte einer zweidimensionalen Definitionsmenge zu visualisieren.
Das Raster in Fig. 7a ist so fein, dass die einzelnen Teilbereiche nicht einzeln voneinander unterscheidbar sind. Mit anderen Worten, die für die Aufnahmen der Fig. 7a verwendeten Thermokamera ermöglicht aufgrund ihrer sehr hohen Pixelzahl eine sehr detaillierte Ortsauflösung des Probenkörpers.
Der Probenkörper der Fig. 7a ist vergleichbar mit der in Fig. 3 dargestellten Anordnung 1 und weist einen Hohlraum in der Lotschicht als Anomalität auf. Der Hohlraum ist in der Illustration als kreisförmiger Bereich 35 mit erhöhter Temperatur erkennbar.
In Fig. 7b ist eine Illustration für einen anderen Probenkörper auf gleiche Weise wie in Fig. 7a dargestellt. Der Probenkörper der Fig. 7b ist vergleichbar mit der in Fig. 3 dargestellten Anordnung 1 und weist eine Delamination der Silberbeschichtung als Anomalität auf. Die Delamination ist in der Illustration als größerer Flächenbereich 37 mit erhöhter Temperatur erkennbar.
In beiden Fällen rührt die erhöhte Temperatur von der Anomalität im Probenkörper. Denn durch die Anomalität wird ein Abfließen der von dem Einstrahlungslicht in das Keramiksubstrat eingebrachten Wärme in Richtung Wärmespreizer gemindert. Dies führt entsprechend zu lokalen Hotspots 35 und 37.
Diese Anomalitäten lassen sich automatisiert feststellen, indem beispielsweise die Darstellung der Fig. 7a bzw. der Fig. 7b mit Schwellenwertdetektor und/oder einem Kantendetektor gefiltert wird. Dadurch lassen sich die Bereiche mit erhöhten Qualitätskennwerten, wie die Bereiche 35 und 37 detektieren. Daraufhin kann eine entsprechende Probe in einem automatisierten Verfahren aussortiert werden. In Figs. 7a und 7b wurden, um die Zuordnung zu erleichtern, für gleiche Merkmale wie bei der Anordnung 1 (Fig. 3) gleiche Bezugszeichen verwendet, wenngleich es sich um jeweils separate Probenkörper handelt.
Es ist dabei interessant, den Einfluss zu studieren, den das Berücksichtigen der auf die Teilbereiche jeweils entfallende Lichtleistung hat, wenn eine Lichtquelle mit inhomogenem Beleuchtungsprofil verwendet wird.
Insoweit zeigen Figs. 8a und 8b Illustrationen von Ergebnissen des Auswertens von Temperaturne von Teilbereichen von Probenkörper jeweils vor und nach Berücksichtigung der Lichtleistung.
Jede Figur weist im oberen Bild eine Illustration des Ergebnisses des Auswertens von Temperaturen von Teilbereichen eines realen Probenkörpers auf, wobei die Lichtleistung noch nicht berücksichtigt wurde. Im jeweils unteren Bild ist die Illustration des Ergebnisses mit berücksichtigter Lichtleistung dargestellt.
In Fig. 8a, oberes Bild, ist gut erkennbar, wie infolge der Bestrahlung mit Einstrahlungslicht ein zentraler Bereich des Probenkörpers (vergleichbar der Anordnung 1) eine erhöhte Temperaturdifferenz aufweist. Diese rührt von der in diesem Bereich höheren Lichtleistung des Einstrahlungslichts. Wenn jedoch diese inhomogene Intensitätsverteilung mittels der auf die Teilbereiche entfallenden Lichtleistungen berücksichtigt wird, vgl. unteres Bild in Fig. 8a, treten die durch den Probenkörper bedingten Bereiche unterschiedlicher Wärmeleitung, wie hier die Eckbereichen des Keramiksubstrats, in Erscheinung.
Auch in Fig. 8b zeigt sich, dass durch Berücksichtigung der auf die Teilbereiche entfallenden Lichtleistungen die lediglich im linken Kantenbereich des Keramiksubstrats bestehende probenbedingte Aufheizung sichtbar wird.
Fig. 9a und Fig. 9b illustrieren die Bestimmung der Qualitätskennwerte aus den ortsaufgelöst, also für die einzelnen Teilbereiche, gemessenen Temperaturdifferenzen und Lichtleistungen eines Probenkörpers (wie beispielsweise Anordnung 1) und zeigen in ähnlicher Weise wie bereits Figuren 8a-b unterschiedliche Daten für die Teilbereiche des Probenkörpers.
Dabei zeigt Fig. 9a die Situation für eine Bestrahlung mit Einstrahlungslicht, das ein kreisförmiges, Gaußsches Strahlprofil aufweist. Und Fig. 9b zeigt die Situation für eine Bestrahlung mit Einstrahlungslicht, das ein quadratisches und innerhalb des Quadrats nahezu homogenes Strahlprofil aufweist. In der ersten Zeile der Figs. 9a und 9b sind die gemessenen Temperaturdifferenzen dargestellt. Da die Teilbereiche sehr klein sind, sind sie nicht einzeln aufgelöst. In der zweiten Zeile ist das Leistungsprofil des Einstrahlungslichts dargestellt, das diese Temperaturdifferenz hervorgerufen hat.
Bei der Bestimmung des Qualitätskennwertes wird der Einfluss des Leistungsprofils herausgerechnet.
Fig. 10 zeigt für zwei unterschiedlich dicke homogene Probenkörper (Konverteranordnungen) die mit einem Verfahren gemäß der Erfindung ermittelten Qualitätskennwerte der innerhalb eines zentralen Bereich des Probenkörpers vorhandenen Teilbereiche.
Dies zeigt deutlich, dass auch die Messung der Qualitätskennwerte an homogenen Probenkörpern möglich ist. Damit kann die Abhängigkeit der Qualitätskennwerte von der Dicke gezeigt werden.
Fig. 11 zeigt rechts die ortsaufgelöste Messung der Qualitätskennwerte an einem Probenkörper, der eine lokale Anomalität aufweist. Die vergleichende Röntgenaufnahme des Probenkörpers links zeigt, dass diese lokale Anomalität mit einer Fehlstelle in der Lotschicht der Lumineszenzkonverteranordnung verknüpft ist. Bei der Röntgenaufnahme ist die Grauswertskale zur besseren Visualisierung von Defekten invertiert. Dunkle Bereiche bezeichnen eine höhere Röntgentransmission.
Die in der vorangehenden Beschreibung, in den Ansprüchen und in den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination wesentlich für die Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen sein.
Bezugszeichenliste
1 Lumineszenzkonverteranordnung
3 Keramiksubstrat
5 Wärmespreizer
6 Wärmesenke
7 Silberbeschichtung
8 Spiegelschicht
9 Lötverbindung
10 Klebeschicht
11 Laserstrahl
13 Licht
15 Optik
17 Anomalität
19 Anomalität
20 Anomalität
21 Laser
23 Lichtleiter
25 Auskoppelelement
27 Einstrahlungslicht
29 Optik
31 Thermokamera 33 Pixel
35 Bereich
37 Bereich
X1 Zeitpunkt
X2 Zeitpunkt
X3 Zeitpunkt
X4 Zeitpunkt
T1 Temperatur
T2 Temperatur
T3 Temperatur
T4 Temperatur

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Feststellen eines thermischen Qualitätsmaßes von wenigstens einem Bereich eines Probenkörpers, das Verfahren aufweisend:
Bereitstellen wenigstens eines Probenkörpers;
Bestrahlen zumindest eines Oberflächenbereichs des Probenkörpers mit Einstrahlungslicht;
Messen von einer ersten Temperatur für jeweils jeden von einem oder mehreren Teilbereichen des Oberflächenbereichs; und
Ermitteln eines Qualitätskennwertes für jeden Teilbereich basierend auf der für den jeweiligen Teilbereich gemessenen ersten Temperatur und einer Referenztemperatur des Teilbereichs sowie der auf den jeweiligen Teilbereich einfallenden Lichtleistung des Einstrahlungslichtes.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei
(i) der Probenkörper Glas, Glaskeramik, Phosphor in Glas (PIG) und/oder Keramik aufweist oder daraus besteht; und/oder
(ii) der Probenkörper zumindest eine Lumineszenzkonverteranordnung oder Teile davon aufweist oder darstellt, und wobei vorzugsweise die Lumineszenzkonverteranordnung zumindest einen keramischen Lumineszenzkonverter, insbesondere umfassend zumindest ein Keramiksubstrat, wie beispielsweise zumindest ein mit Cer-dotiertes YAG- und/oder LuAG-Keramiksubstrat, und/oder zumindest einen Wärmespreizer, vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium und/oder Keramik, aufweist.
3. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest basierend auf den für die einzelnen Teilbereiche ermittelten Qualitätskennwerten (a) die opto-thermische Impedanz dieser Teilbereiche ermittelt wird oder diese durch die Qualitätskennwerte dargestellt ist, (b) eine Eigenschaft des Probenkörpers als thermisches Qualitätsmaß festgestellt wird, und/oder (c) lokale Anomalitäten des Probenkörpers, wie beispielsweise thermische Hotspots des Probenkörpers, als thermisches Qualitätsmaß festgestellt werden. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner aufweist:
Messen und/oder Ermitteln von einer zweiten Temperatur für jeweils jeden der Teilbereiche, für die eine erste Temperatur gemessen wurde, wobei die zweiten Temperaturen die Referenztemperaturen der jeweiligen Teilbereiche darstellen oder die Referenztemperaturen mittels der zweiten Temperaturen ermittelbar sind und/oder ermittelt werden. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die ersten Temperaturen der einzelnen Teilbereiche zu jeweils einem, vorzugsweise gemeinsamen, ersten Zeitpunkt gemessen werden, wobei vorzugsweise der erste Zeitpunkt nach dem Beginn, während und/oder vor dem Ende des Bestrahlens des Oberflächenbereichs des Probenkörpers mit dem Einstrahlungslicht liegt, insbesondere (a) mindestens 0,01 Sekunden, vorzugsweise mindestens 0,03 Sekunden, vorzugsweise mindestens 0,05 Sekunden, vorzugsweise mindestens 0,07 Sekunden, vorzugsweise mindestens 0,1 Sekunde, vorzugsweise mindestens 1 Sekunde, vorzugsweise mindestens 2 Sekunden, vorzugsweise mindestens 3 Sekunden, vorzugsweise mindestens 5 Sekunden, (b) maximal 10 Sekunden, vorzugsweise maximal 7 Sekunden, vorzugsweise maximal 5 Sekunden, vorzugsweise maximal 3 Sekunden, vorzugsweise maximal 1 Sekunde, vorzugsweise maximal 0,7 Sekunden, vorzugsweise maximal 0,5 Sekunden, vorzugsweise maximal 0,3 Sekunden, vorzugsweise maximal 0,1 Sekunde, vorzugsweise maximal 0,07 Sekunden, vorzugsweise maximal 0,05 Sekunden, vorzugsweise maximal 0,03 Sekunden, und/oder (c) zwischen 0,01 Sekunden und 10 Sekunden, vorzugsweise zwischen 0,1 Sekunde und 10 Sekunden, vorzugsweise zwischen 0,1 Sekunden und 1 Sekunde, nach dem Beginn und/oder vor dem Ende liegt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweiten Temperaturen der einzelnen Teilbereiche zu jeweils einem, vorzugsweise gemeinsamen, zweiten Zeitpunkt gemessen werden, wobei vorzugsweise der zweite Zeitpunkt vor dem Beginn und/oder nach dem Ende des Bestrahlens des Oberflächenbereichs des Probenkörpers mit dem Einstrahlungslicht liegt, insbesondere (a) mindestens 0,01 Sekunden, vorzugsweise mindestens 0,03 Sekunden, vorzugsweise mindestens 0,5 Sekunden, vorzugsweise mindestens 0,1 Sekunde, vorzugsweise mindestens 1 Sekunde, vorzugsweise mindestens 2 Sekunden, vorzugsweise mindestens 3 Sekunden, vorzugsweise mindestens 5 Sekunden, (b) maximal 10 Sekunden, vorzugsweise maximal 7 Sekunden, vorzugsweise maximal 5 Sekunden, vorzugsweise maximal 3 Sekunden, vorzugsweise maximal 1 Sekunde, vorzugsweise maximal 0,5 Sekunden, vorzugsweise maximal 0,1 Sekunde, vorzugsweise maximal 0,05 Sekunden, vorzugsweise maximal 0,03 Sekunden, und/oder (c) zwischen 0,01 Sekunden und 10 Sekunden, vorzugsweise zwischen 0,1 Sekunde und 10 Sekunden, vorzugsweise zwischen 0,1 Sekunden und 5 Sekunden, vor dem Beginn und/oder nach dem Ende liegt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede erste Temperatur eine Oberflächentemperatur des Probenkörpers ist; und/oder wobei jede zweite Temperatur eine Oberflächentemperatur des Probenkörpers ist. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Messen der ersten Temperaturen aufweist:
Aufnehmen wenigstens eines ersten Bildes des Probenkörpers, vorzugsweise zum ersten Zeitpunkt, mittels wenigstens einer ersten Thermokamera, und Ermitteln der ersten Temperaturen für jeden Teilbereich aus den Bild-Informationen des wenigstens einen ersten Bildes, wobei vorzugsweise (i) das aufgenommene erste Bild eine Vielzahl von Pixeln aufweist, und jeder Teilbereich von wenigstens einem Pixel zumindest teilweise abgedeckt wird, und anhand der von der Kamera zu den einzelnen Pixeln bereitgestellten Bild- Informationen, wie Temperaturwerte, die ersten Temperaturen ermittelt werden, und/oder (ii) die erste Temperatur aus mehreren ersten Bildern berechnet wird, vorzugsweise durch Extrapolation der Temperaturverläufe der einzelnen Pixel für den Zeitpunkt des Ein- oder Ausschaltens des Einstrahlungslichts. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Messen der zweiten Temperaturen aufweist:
Aufnehmen wenigstens eines zweiten Bildes des Probenkörpers, vorzugsweise zum zweiten Zeitpunkt, mittels wenigstens einer zweiten und/oder der ersten Thermokamera, und Ermitteln der zweiten Temperaturen für jeden Teilbereich aus den Bild- Informationen des wenigstens einen zweiten Bildes, wobei vorzugsweise (i) das aufgenommene zweite Bild eine Vielzahl von Pixeln aufweist, und jeder Teilbereich von wenigstens einem Pixel zumindest teilweise abgedeckt wird, und anhand der von der Kamera zu den einzelnen Pixeln bereitgestellten Bild-Informationen, wie Temperaturwerte, die zweiten Temperaturen ermittelt werden, und/oder (ii) die zweite Temperatur aus mehreren zweiten Bildern berechnet wird, vorzugsweise durch Extrapolation der Temperaturverläufe der einzelnen Pixel für den Zeitpunkt des Ein- oder Ausschaltens des Einstrahlungslichts. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Ermitteln eines Qualitätskennwertes eines Teilbereichs aufweist:
Berechnen des Qualitätskennwertes des Teilbereichs, zumindest basierend auf einer Temperaturdifferenz, die zwischen der ersten Temperatur des Teilbereichs und der Referenztemperatur des Teilbereichs gebildet wird, wobei vorzugsweise zur Berechnung des Qualitätskennwertes (i) ferner die Temperaturdifferenz durch die auf den jeweiligen Teilbereich einfallende Lichtleistung dividiert wird, (ii) die Temperaturdifferenz durch den Quotienten aus der auf den jeweiligen Teilbereich einfallenden Lichtleistung und dessen Fläche dividiert wird und/oder (iii) die auf den jeweiligen Teilbereich einfallende Lichtleistung des Einstrahlungslichtes, insbesondere indem die Differenz der Temperaturen durch die Lichtleistung dividiert wird, berücksichtigt wird. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren ferner aufweist: Feststellen von, vorzugsweise lokalen, Anomalitäten des Probenkörpers basierend auf den ermittelten Qualitätskennwerten der Teilbereiche, wobei das Feststellen von Anomalitäten des Probenkörpers vorzugsweise aufweist:
Feststellen von Teilbereichen, deren Qualitätskennwert einen Grenzwert überschreiten, unterschreiten und/oder innerhalb definierter oder definierbarer Grenzen verlaufen, als Anomalitäts-Teilbereiche, und vorzugsweise Zuordnen der Anomalitäts-Teilbereiche zu einem oder mehreren Flächen- und/oder Volumen-Bereichen des Probenkörpers und/oder charakterisieren und/oder klassifizieren der Anomalitäts-Teilbereiche hinsichtlich des Typs der Anomalität, wie insbesondere Delamination, Blasen-Einschluss, Partikel und/oder Verschmutzung auf der Oberfläche, und/oder Einschluss oder Verschmutzung im Volumen. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
(i) der Oberflächenbereich des Probenkörpers homogen mit dem Einstrahlungslicht bestrahlt wird, insbesondere die Bestrahlungsstärke an zwei verschiedenen Orten des Oberflächenbereichs um höchstens 20%, vorzugsweise um höchstens 10%, vorzugsweise um höchstens 5%, vorzugsweise um höchstens 1%, unterschiedlich ist;
(ii) die Bestrahlungsstärke an jedem Ort des Oberflächenbereichs des Probenkörpers (a) mindestens 0,1 Watt/mm2, vorzugsweise mindestens 1 Watt/mm2, vorzugsweise mindestens 3 Watt/mm2, vorzugsweise mindestens 5 Watt/mm2, vorzugsweise mindestens 10 Watt/mm2, vorzugsweise mindestens 30 Watt/mm2, vorzugsweise mindestens 50 Watt/mm2, vorzugsweise mindestens 70 Watt/mm2, (b) höchstens 100 Watt/mm2, vorzugsweise höchstens 50 Watt/mm2, vorzugsweise höchstens 10 Watt/mm2, vorzugsweise höchstens 5 Watt/mm2, vorzugsweise höchstens 3 Watt/mm2, vorzugsweise höchstens 1 Watt/mm2, und/oder (c) zwischen 0,1 Watt/mm2 und 100 Watt/mm2, vorzugsweise zwischen 1 Watt/mm2 und 50 Watt/mm2, vorzugsweise zwischen 1 Watt/mm2 und 30 Watt/mm2, vorzugsweise zwischen 1 Watt/mm2 und 10 Watt/mm2, vorzugsweise zwischen 1 Watt/mm2 und 5 Watt/mm2, beträgt; und/oder
(iii) das Einstrahlungslicht Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich aufweist, insbesondere im Wellenlängenbereich von 430 nm bis 490 nm, vorzugsweise im Wellenlängenbereich von 445 nm bis 465 nm, und/oder von einem Laser stammt. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei
(i) das Keramiksubstrat eine Dicke von (a) mindestens 30 pm, vorzugsweise mindestens 80 pm, vorzugsweise mindestens 100 pm, (b) höchstens 400 pm, vorzugsweise höchstens 300 pm, vorzugsweise höchstens 250 pm, vorzugsweise höchstens 225 pm, vorzugsweise höchstens 200 pm, und/oder (c) zwischen 30 pm und 400 pm, vorzugsweise zwischen 60 pm und 300 pm, vorzugsweise zwischen 80 pm und 225 pm, aufweist;
(ii) das Keramiksubstrat zumindest auf einer Hauptseite zumindest bereichsweise beschichtet ist, insbesondere mit einer Silberbeschichtung; und/oder
(iii) das Keramiksubstrat, insbesondere mit der beschichteten Seite, auf dem Wärmespreizer angeordnet, insbesondere auf diesem aufgelötet, ist, vorzugsweise unter Ausbildung einer Lotschicht zwischen Wärmespreizer und Keramiksubstrat. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei (i) der Temperaturabfall der bestrahlten Teilbereiche nach dem Ende der Bestrahlung bei der Ermittlung des Maßes für eine Temperaturverteilung der einzelnen Teilbereiche berücksichtigt wird und/oder (ii) eine Mittelung und/oder Extrapolation der Temperaturverläufe der einzelnen Teilbereiche vor, während und/oder nach dem Einschalten des Einstrahlungslichtes durchgeführt und bei der Ermittlung des Maßes für eine Temperaturverteilung der einzelnen Teilbereiche berücksichtigt wird. Vorrichtung, aufweisend eine Lichtquelle, wie insbesondere einen Laser, zum Aussenden von Einstrahlungslicht und wenigstens eine Messvorrichtung, wie insbesondere wenigstens eine Thermokamera, wobei die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, (i) das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14 auszuführen und/oder (ii) zumindest das Folgende auszuführen:
Bestrahlen zumindest eines Oberflächenbereichs eines Probenkörpers mit Einstrahlungslicht aus der Lichtquelle;
Messen von einer ersten Temperatur für jeweils jeden von einem oder mehreren Teilbereichen des Oberflächenbereichs mit der Messvorrichtung; und/oder
Ermitteln eines Qualitätskennwertes für jeden Teilbereich basierend auf der für den jeweiligen Teilbereich gemessenen ersten Temperatur und einer Referenztemperatur des Teilbereichs sowie der auf den jeweiligen Teilbereich einfallenden Lichtleistung des Einstrahlungslichtes, insbesondere mittels einer von der Vorrichtung ferner umfassten Recheneinheit.
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