전자 구성품 검사: 비접촉식 스팟

전자 회로 보드와 구성품이 갈수록 작아지고 강력해짐에 따라 내부 열로 인해 심각하게 손상될 수 있습니다. 적외선 온열 측정은 과열점을 식별할 수 있어 열 관리와 회로 보드 설계를 개선할 수 있습니다.

전자장치는 열을 좋아하지 않습니다. 이러한 이유로 전자 시스템 설계자는 장치 크기를 작게 하는 동시에 구성품을 냉각시킬 수 있는 방법을 찾고 있습니다. 칩 크기가 작아지고 구성품 내에서 밀도가 증가함에 따라 민간용 제품 뿐만 아니라 군용 제품에서도 열은 중요한 문제로 인식되고 있습니다. 후자의 경우 문제는 불편함을 넘어 안전으로까지 확장됩니다. 군대는 전자장치의 품질에 의존해 무기와 통신 시스템의 통합을 유지관리 합니다.

정부 기관은 설계자들이 전자구성품 크기, 무게 및 전력 소비를 대폭 줄여 열방산 문제를 없앨 수 있도록 새로운 열 관리 기술을 찾는 데 수 백만 달러를 투자하고 있습니다.

접촉 및 비접촉식 검사

VXI 보드 설계자 중 한 명은 보드 과열에 대한 불만과 함께 정상보다 큰 열 회수 흐름을 경험했습니다. 엔지니어들은 시뮬레이션 모델링을 이용해 히트 싱크 (heat sink)에서 어디에 설계하고 열을 분산시키기 위해 팬을 어디에 추가할 지를 결정했습니다. 이들은 또한 시험 및 품질 상 동안 보드에 열전대를 설치해 잠재적인 설계 문제점을 확인하고자 했습니다. 몇몇 결과를 통해 엔지니어들은 최종적으로 적외선 카메라를 이용해 보드를 스캔하는 방법을 고려했습니다.

FLIR 미국 판매 책임자인 크리스 바인터(Chris Bainter)는 적외선은 열전대와는 달리 많은 이점을 제공한다고 말합니다. 그는 "무엇보다 과열점이 어디 있는지 모르는 경우 열전대를 어디에 설치해야 하는지 어떻게 알 수 있을까요?"라고 묻습니다. “보드에 설치된 수 백 개의 탐침를 상상해 보세요. 너무 비현실적이고 효과도 별로일 것 같습니다."

바인터는 FLIR의 적외선 카메라를 가지고 생산공장을 방문했습니다. 카메라를 켜고 보드를 향하는 순간 과열점이 즉시 포착되었습니다. 과열점은 히트 싱크 (heat sink) , 팬 또는 열전대 근처에 있지 않았습니다.

“열화상을 보는 순간 우리는 과열점이 어디에 있는지 정확하게 알았습니다. 가장 뜨거운 곳은 바로 칩이었습니다."라고 바인터는 말합니다.

어디에 문제의 원인이 있는지를 알아내는 것이 첫 번째 단계입니다. 적외선은 회로보드의 열관리 시스템 설계에서도 매우 유용할 수 있습니다. 이러한 특정 보드 설계를 위해 엔지니어들은 팬과 히트 싱크 (heat sink)를 가장 뜨거운 구성품 근처에 설치해서는 안 된다는 점을 깨달았습니다. 이와 관련한 질문: 그것들이 정말 필요했습니까? 또는 엔지니어들은 더 이상 필요하지 않은 열 관리 구성품을 포함해 추가적인 무게와 전력 드로우를 설계했습니까? 장치의 실질적인 열 특성과 열방산에 대한 더 많이 아는 것은 시뮬레이션 모델을 개선하고 전체적인 설계를 향상시키며 개발 사이클의 신속한 프로토타이핑 단계를 가속하기 위한 가장 중요한 요소입니다.

크기 축소

장치가 지속적으로 작아짐에 따라 열 관련 문제가 증가하고 있습니다. 대략 22.86cm x 33.02cm VXI 보드부터 수 백 분의 1 마이크론의 개별 구성품을 가진 스마트폰 크기의 장치까지 상상해보세요. 그러한 크기의 구성품들은 열을 측정하기 위한 열전대를 수용할 수조차도 없습니다. 대안책으로 열전대와 유사하지만 더 작은 크기의 RTD 탐침을 장착하는 것입니다. 그러나 작은 탐침이 히트 싱크 (heat sink)와 같은 역할을 함으로써 열 측정을 왜곡시킬 수 있습니다.

바인터는 "접촉 형식으로 온도를 측정하는 아주 작은 장치에서 온도를 측정하는 것은 매우 까다롭거나 불가능할 수도 있습니다."라며 "장치가 작아지면 탐침는 장치의 열반응성에 영향을 미칠 수 있습니다."라고 말합니다. 이 경우 적외선 화상과 같은 비접촉 형태의 온도 측정이 필요합니다.

전자제품 설계자와 제조업체에서 적외선 열화상 카메라의 또 다른 일반적인 용도는 고장 분석을 위해 과열점을 탐지하는 것입니다. 이 경우 미세한 열 차이를 일으키는 작은 과열점을 찾는 것은 절대 온도를 측정하는 것보다 훨씬 중요합니다. 이러한 과열점은 장치의 고장이나 문제점을 의미할 수 있습니다. 수동적 열화상도 효과적이지만 "고정형 온열 측정법"이라 불리는 기술은 카메라 감도를 10배 이상 향상시킬 수 있어 작도 미세한 과열점을 쉽게 탐지할 수 있습니다.

적외선 검사는 충분하지 않은 땜납을 식별함으로써 품질 보증을 지원할 수도 있습니다. 충분하지 않은 땜납은 납땜 이음에서 회로 저항을 늘리기 때문에 적외선 카메라로 온도를 탐지할 수 있을 정도로 온도가 올라갑니다. 고장난 회로는 정상 온도와는 다른 온도 양상을 보여주기 때문에 이를 기준으로 회로의 정상 여부를 판단할 수 있습니다.

온열 측정 비용은 적당한가요?

전자 구성품 크기가 작아짐에 따라 온열 측정 적정 비용에 대한 관심이 늘고 있습니다. 현재 적외선 카메라는 거의 동일한 비용으로 10년 전에 사용했던 카메라 분해능의 16배에 달하는 성능을 제공합니다. 바인터는 비용이 지속적으로 감소함에 따라 열화상 적외선 카메라는 디지털 멀티미터, 오실로스코프 그리고 전압 분석기와 함께 모든 테스트 벤치에서 표준 열 측정 도구가 될 것이라고 말합니다. 기술 진보 역시 중요한 요인입니다.

전자 제품 검사 시험과 관련해 열화상은 여전히 발전 가능성이 큽니다. 열화상 기술에서 해결해야 할 과제 중 하나는 표면 복사율 보정입니다. 여러 전자식 보드에는 다양한 복사율을 가진 구성품이 장착되어 있습니다. 이러한 구성품 중 일부는 표면 광택으로 인해 낮은 복사율을 가집니다. 이로 인해 절대 온도를 측정하기가 더 까다로워집니다. 고복사율 코팅이나 이미지 차감, 복사율 매핑과 같은 기술은 보정 방법 중 하나입니다.

이미지 차감에서 적외선 검사 시스템 소프트웨어는 열화상 기준을 생성하기 위해 장치에 전원을 공급하기 전에 이미지를 캡쳐합니다. 이러한 기준 이미지는 장치를 켠 후 촬영된 이미지에서 차감되어 정적인 반사 온도 값이 제거되고 장치의 가열로 인해 실제 온도 델타값만 남게 됩니다. 이미지 차감은 오류가 있는 정적 반사 온도로 인한 명확한 모든 과열점을 하한 복사율 장치에서 효과적으로 제거하고 장치 자체에서 실제 과열점에만 집중하도록 만듭니다.

모조품 경고

군용 제품 조달 시 모조품 문제를 해결하기 위해 온열 측정를 모조품 탐지와 같은 새로운 분야로 발전시킬 수도 있습니다.

바인터는 "저가의 자재를 이용한 위조품과 모방 디자인은 겉모습은 유사할 수는 있어도 정품과는 다른 열 신호를 가질 수도 있습니다."라고 말합니다.

이 장치들은 인터넷 상에서 아주 저렴하게 구입할 수 있으며 GAO(회계감사원)에 따르면 의심되는 모조품이나 가짜 군용 전자 부품을 여러 인터넷 플랫폼에서 찾을 수 있다고 합니다. 사실상 최근 연구 동안 GAO에 제공한 공급업체 중 합법적인 곳은 없었습니다. 견적 요청서를 제출한 후 GAO는 396 공급업체로부터 응답을 받았고 이중 중국에 334개, 미국에 25개, 영국 및 일본을 포함한 기타 국가에 37개 업체가 소재하고 있었습니다. GAO는 최저 입찰가를 선정했고 16개 부품을 중국의 공급업체로부터 제공 받았습니다.

수익

적외선 열화상을 이용해 찾기가 불가능했거나 적어도 신속하게 찾기는 어려웠던 문제점을 시험하고 찾아낼 수 있습니다. 제조업체의 경우 ROI(투자수익률)는 설계 결함을 찾아 시험 시간을 줄이고 신제품 출시를 앞당길 수 있는 이미지가 됩니다. 열화상의 또 다른 이점은 이 기술을 통해 엔지니어들은 각각의 픽실을 위한 온도값을 포함해 회로 보드의 전체 열 지도를 볼 수 있다는 점입니다. 열전대나 RTD를 잘못된 위치에 장착해 검침 결과에서 오류가 발생할 걱정을 할 필요가 없습니다. 열화상은 보드에서 가장 뜨거운 과열점이 어디에 있는지를 정확하게 보여줍니다.

물론, 열화상은 단순한 회로 보드 이미지화 외에도 여러 단계의 연구 및 개발 과정에서 사용될 수도 있습니다.