A&D Lab · współpraca naukowa

Termograficzna diagnostyka podzespołów elektronicznych

Zastosowanie badań termowizyjnych do bezdotykowej diagnostyki urządzeń elektronicznych — opracowanie procedury prowadzonej w warunkach serwisowych.

dr inż. Przemysław Matkowski — Politechnika Wrocławska, W-12/Z-5

Projekt realizowany od 01.04.2013 do 30.09.2013, we współpracy z A&D Serwis.

Cel i założenia projektowe

Procedura diagnostyczna prosta i nieczasochłonna, możliwa do prowadzenia w serwisie.
Bezpieczna dla operatora oraz serwisowanych urządzeń (pomiar bezdotykowy).
Operator wyposażony w listę kontrolną i termogram wzorcowy.
Minimalizacja kosztów — zarówno zakupu, jak i bieżącego użytkowania aparatury.

Stanowisko i parametry pomiarowe

Zaprojektowano stanowisko zapewniające powtarzalne warunki badań. Dla wiarygodnego pomiaru kluczowe są: emisyjność powierzchni, temperatura odbicia, wilgotność, temperatura otoczenia oraz odległość kamery od obiektu.

Termogram laptopa z zaznaczonymi temperaturami procesora, GPU, radiatora i heat-pipe — Wyjściowa charakterystyka termiczna sprawnego urządzenia — referencja do dalszych pomiarów (maks. ~81 °C w obszarze procesora i GPU).

Mapa termiczna płyty — bloki funkcjonalne

Procedura zakłada identyfikację bloków funkcjonalnych płyty głównej (przetwornice główne, mostek N/S, synteza zegarowa, dławiki, karta dźwiękowa, moduły pamięci, WiFi/Bluetooth) i porównanie ich sygnatury termicznej z termogramem wzorca.

Mapa płyty głównej z opisanymi blokami funkcjonalnymi nałożona na termogram wzorcowy — Mapa bloków funkcjonalnych płyty głównej wykorzystywana jako wzorzec porównawczy.

Wynik 1 — porównanie wzorzec vs. usterka

Najważniejszy wynik metodyczny: różnicowa mapa temperatur (wzorzec − obiekt badań) jednoznacznie wskazuje uszkodzone bloki funkcjonalne. W badanym przypadku usterki:

Zimniejsze niż wzorzec

mostek północny
dodatkowy dławik
karta muzyczna

Cieplejsze niż wzorzec

przetwornice wejściowe
synteza zegarowa
mostek południowy

Porównanie termogramu wzorcowego (44,8 °C) z termogramem urządzenia z usterką (47,5 °C) oraz mapa różnic temperatur — Wzorzec (max 44,8 °C) vs. obiekt badań (max 47,5 °C) i mapa różnic w zakresie −13,9 °C ÷ +14,5 °C — czytelna sygnatura usterki.

Wynik 2 — przepływ prądu wewnątrz obudowy BGA

Termowizja pozwoliła zobrazować przepływ prądu wewnątrz obudowy BGA i wskazać pojedyncze połączenia lutowane pod elementem (kulki BGA) bez demontażu układu. W sekwencji po 5 s, 10 s i 30 s lokalny wzrost temperatury osiąga 57,6 °C.

Sekwencja termogramów BGA pokazująca lokalizację gorącego punktu po 5, 10 i 30 sekundach od włączenia — Przepływ prądu w BGA: po 5 s 26,4 °C, po 10 s 36,5 °C, po 30 s 57,6 °C — punktowa lokalizacja połączenia bez demontażu.

Wynik 3 — pęknięte połączenie lutowane

Pęknięte połączenie lutowane generuje charakterystyczny lokalny „hot-spot" do 60,7 °C. Defekt, który nie jest widoczny w mikroskopii optycznej ani w klasycznej inspekcji rentgenowskiej, w termowizji jest jednoznaczny.

Termogram z lokalnym hot-spotem 60,7 °C w miejscu pękniętego połączenia lutowanego, porównany z obrazem RTG — Hot-spot 60,7 °C nad pękniętym lutem, z porównaniem do mikroskopii i RTG.

Porównanie tej samej usterki w mikroskopii optycznej, w podczerwieni i w inspekcji rentgenowskiej — Ta sama usterka: mikroskopia optyczna (widoczne pęknięcie), IR (sygnatura termiczna), RTG (pęknięcie nie jest widoczne) — termowizja uzupełnia luki obu pozostałych metod.

Wynik 4 — pęcherze pogarszające odprowadzanie ciepła (LED)

Dla LED dużej mocy zmierzono różnicę temperatur między obszarem z pęcherzami w warstwie odprowadzającej ciepło (L101: max 30,6 °C) a obszarem prawidłowym (L102: max 29,8 °C). Procedura wykrywa wady montażu bezpośrednio przekładające się na żywotność elementu.

Termogram LED z dwoma liniami pomiarowymi pokazującymi różnice temperatur w obszarach z pęcherzami i bez pęcherzy — LED dużej mocy — porównanie L101 (z pęcherzami, 30,6 °C max) i L102 (bez pęcherzy, 29,8 °C max).

Uzyskane wyniki i wdrożenie

Zaprojektowano stanowisko badawcze zapewniające powtarzalne warunki pomiaru.
Opracowano procedurę testową dla kilku demonstratorów.
Procedura została zastosowana w pracy inżynierskiej „Badania nad odprowadzaniem ciepła z elementów elektronicznych dużej mocy".
Skuteczność procedury potwierdzono w badaniach realizowanych dla dwóch wrocławskich przedsiębiorstw z branży elektronicznej, w tym A&D Serwis.

Podsumowanie projektu: stanowisko badawcze (laboratorium W-12/Z-5 PWr) oraz wyniki porównawcze wzorzec / usterka. Partnerzy wdrożeniowi: A&D Serwis i Lediko.

← Wróć do laboratorium elektroniki