Scopri Come la Termografia Rivoluziona il Controllo delle Schede Elettroniche: Applicazioni e Vantaggi Imperdibili!

Con la diminuzione delle dimensioni e l’aumento della potenza di circuiti stampati e componenti elettronici, il calore intrinseco può causare danni significativi. All'elettronica non piace il caldo. Ecco perché i progettisti di sistemi elettronici cercano soluzioni per mantenere i componenti a bassa temperatura, mentre le dimensioni dei dispositivi continuano a ridursi.

Man mano che i chip si fanno più piccoli e la densità all'interno dei componenti aumenta, il calore può diventare un problema reale, non solo per i dispositivi utilizzati in applicazioni civili, ma anche in quelle militari. In quest'ultimo caso, il problema non rappresenta più solo un disagio ma un vero rischio per la sicurezza. Le forze armate dipendono dalla qualità dell'elettronica per mantenere l'integrità di armamenti e sistemi di comunicazione.

Le pubbliche amministrazioni stanno spendendo somme ingenti per trovare nuove tecnologie di gestione termica che aiutino i progettisti a ridurre in modo sostanziale dimensioni, peso e consumo energetico dei componenti elettronici, ed eliminare di conseguenza il problema della dissipazione termica. La termografia può identificare i punti caldi, consentendo una migliore gestione termica ed eccellenti vantaggi nella progettazione di circuiti stampati.

Confronto tra Test a Contatto e Senza Contatto

Un'azienda produttrice di schede VXI stava riscontrando un flusso di resi superiore al normale, con lamentele riguardanti il surriscaldamento delle schede. Gli ingegneri utilizzavano modelli di simulazione per determinare in quali punti del progetto inserire dissipatori e ventole per disperdere il calore. Avevano anche provato a montare termocoppie sulle schede durante le fasi di collaudo e qualità, sperando di identificare eventuali problemi di progettazione. Avendo ottenuto scarsi risultati, hanno infine preso in considerazione la scansione delle schede con una termocamera.

Chris Bainter, Direttore commerciale nazionale di FLIR per gli Stati Uniti, fa notare che l'infrarosso ha un vantaggio rispetto alle termocoppie. "Prima di tutto, come è possibile sapere dove montare le termocoppie se non si sa dove sono i punti caldi?" chiede. "Immaginate di montare centinaia di sonde su una scheda. È irrealistico e non molto efficace". Bainter ha visitato il sito produttivo, portando con sé una delle termocamere FLIR. Dopo averla accesa e puntata su una scheda, i punti caldi risultavano immediatamente evidenti, e non erano assolutamente vicini ai dissipatori di calore, alle ventole o alle termocoppie.

"Fin dal primo istante in cui abbiamo osservato l'immagine termica, abbiamo saputo con esattezza dove fossero i punti più caldi della scheda e quali chip fossero i più caldi in generale", afferma Bainter. Sapere dove iniziare la diagnosi è solo il primo passo. L'infrarosso può anche essere di aiuto nella progettazione di un sistema di gestione termica in un circuito stampato. Per questo particolare progetto di scheda, gli ingegneri hanno capito che le ventole e i dissipatori di calore non erano montati vicino ai componenti più caldi.

E questo faceva sorgere l'interrogativo: erano davvero necessari? O piuttosto, gli ingegneri avevano inserito nel progetto pesi e consumi energetici aggiuntivi per componenti di gestione termica che non erano più necessari? Conoscere meglio le reali proprietà termiche e di dissipazione del calore del dispositivo può essere la chiave per migliorare i modelli di simulazione, perfezionare il progetto complessivo e accelerare la fase di prototipazione rapida del ciclo di sviluppo.

Miniaturizzazione e Misurazione della Temperatura

Man mano che i dispositivi continuano a rimpicciolirsi, le sfide del calore aumentano. Immaginate di passare da una scheda VXI di circa 23 cm x 33 cm a un dispositivo delle dimensioni di uno smartphone con singoli componenti di pochi centesimi di micron. Componenti di quelle dimensioni non possono nemmeno ospitare una termocoppia per la misurazione del calore. La soluzione è collegare una sonda RTD, che è simile a una termocoppia, ma più piccola. Ma anche questa sonda più piccola può distorcere le misurazioni del calore, agendo come un dissipatore di calore.

"È difficile, forse impossibile, misurare la temperatura su dispositivi davvero piccoli con metodi di misurazione di temperatura a contatto", spiega Bainter. "Quando sono sufficientemente piccoli, una sonda è in grado di influenzare la termo-sensibilità del dispositivo". In questi casi, occorre una forma di misurazione di temperatura senza contatto, ad esempio l'analisi di immagini a infrarossi.

Rilevazione di Punti Caldi e Termografia Lock-in

Un altro uso comune delle termocamere tra progettisti e produttori di elettronica è la rilevazione di punti caldi per l'analisi dei guasti. In tal caso, misurare le temperature assolute non è importante quanto trovare i piccoli punti caldi che causano flebili differenziali termici. Questi punti caldi possono essere indicativi di guasti o problemi nel dispositivo.

La termografia passiva funziona bene, tuttavia una tecnica chiamata "Termografia Lock-in" può migliorare la sensibilità della termocamera di oltre 10 volte, rendendo molto più semplice il rilevamento di piccoli punti caldi.

Controllo Qualità e Ispezione a Infrarosso

L'ispezione a infrarosso è utile nel controllo qualità, identificando saldature inadeguate. Una saldatura insufficiente aumenta la resistenza del circuito in corrispondenza del giunto di saldatura e pertanto fa innalzare la temperatura quanto basta da permettere il rilevamento da parte di una termocamera.

Un circuito difettoso mostrerà un profilo di temperatura diverso da quello di un circuito integro e questo può permettere di determinare se il circuito debba essere approvato o scartato.

Giustificazione del Costo della Termografia

Il costo della termografia sta diventando sempre più giustificabile man mano che i componenti elettronici si miniaturizzano. Le odierne termocamere offrono una risoluzione fino a 16 volte superiore rispetto alle termocamere utilizzate dieci anni fa, a un costo pressoché uguale. Bainter ritiene che man mano che i costi continueranno a scendere, le termocamere diverranno uno strumento standard di misurazione termica su qualsiasi banco prova, accanto a multimetri digitali, oscilloscopi e analizzatori di tensione.

Miglioramenti Tecnologici e Correzione dell'Emissività Superficiale

Per quanto riguarda i collaudi nelle ispezioni elettroniche, la termografia offre ancora possibilità di perfezionamento. Una sfida della termografia è la correzione dell'emissività superficiale. Molte schede elettroniche montano componenti con emissività variabili; alcuni di essi sono lucidi e pertanto presentano una bassa emissività. Questa circostanza li rende più difficili da misurare per temperature assolute.

Varie tecniche, come i rivestimenti a elevata emissività, la sottrazione di immagine e la mappatura dell'emissività, sono esempi di modalità valide per la compensazione. Nella sottrazione di immagine, il software del sistema di ispezione a infrarosso acquisisce un'immagine prima dell'accensione del dispositivo, per creare un valore di riferimento termico. Questa immagine di riferimento viene poi sottratta dalle immagini successive dopo l'accensione del dispositivo, eliminando i valori di temperatura riflessa statica e lasciando solo i delta di temperatura reali dovuti al riscaldamento del dispositivo.

La sottrazione di immagini elimina efficacemente tutti i punti caldi termici apparenti dovuti a temperature riflesse statiche errate dai dispositivi a emissività inferiore e permette di concentrarsi sui veri punti caldi termici generati dal dispositivo stesso.

Lotta ai Prodotti Contraffatti

La termografia ha la possibilità di progredire in nuove applicazioni, come il rilevamento di prodotti contraffatti, un altro problema crescente nell'acquisto di attrezzature militari. "I dispositivi falsi che impiegano materiali più economici e design contraffatti possono avere impronte termiche diverse dagli originali, anche se all'esterno sembrano simili", afferma Bainter. Questi dispositivi sono ampiamente disponibili a prezzi d'occasione tramite Internet e, secondo uno studio del Government Accountability Office (GAO), su molte piattaforme di acquisto Internet è possibile trovare sospette contraffazioni e falsi componenti elettronici di grado militare.

Vantaggi della Termografia

Con la termografia, la prova del fuoco sta nella possibilità di condurre test e identificare problemi che un tempo erano impossibili da scoprire, o quantomeno difficili da individuare rapidamente. Per i produttori, il ritorno dell'investimento consiste in immagini da cui è possibile identificare un difetto di progettazione e che permettono di ridurre i tempi di test e di immissione sul mercato.

Un altro vantaggio della termografia è che consente agli ingegneri di visualizzare una mappa termica completa del circuito stampato, con valori di temperatura per ciascun pixel. Non dovranno più preoccuparsi di montare termocoppie o RTD in posizioni sbagliate, che producono misurazioni erronee. Le immagini termiche mostrano esattamente dove si trovano i punti più caldi su una scheda.

Applicazioni Tipiche della Termografia

La termografia riveste un ruolo estremamente importante nell’industria petrolifera, petrolchimica, nell’industria chimica e nei settori industriali di produzione di energia. Con l’attuale crisi energetica globale e la grande richiesta di energia in aumento, le industrie devono continuare a soddisfare sempre maggiori volumi di produzione cercando di ridurre i costi operativi e prevenendo eventuali guasti. Tali errori possono essere causa di perdite di produzione e di conseguenza fermo di produzione ed ingenti costi monetari.

Grazie alla termografia si possono mettere in evidenza lo stato d’usura delle pareti dei silos ed anche il livello dei liquidi o gas contenuti in essi. Nell’industria meccanica il contributo dell’analisi termografica della termografia per la manutenzione preventiva è sempre più richiesto. Le principali applicazioni interessano specialmente:

l’individuazione di cuscinetti difettosi, surriscaldati per usura, per mancanza di lubrificazione o per disallineamento
difetti di allineamento delle pulegge che causano problemi alle cinghie
l’eccessivo surriscaldamento degli utensili

Nell’industria elettronica ed elettrica, la termografia è usata per verificare le anomalie termiche di alcuni componenti montati sulle schede elettroniche durante la verifica di funzionalità della scheda.

Termografia per gli Appaltatori: Un'Opportunità di Crescita

Grazie ai progressi tecnologici, la termografia è diventata più economica, più facile da usare e più diffusa in numerosi settori industriali e commerciali. È una buona notizia se sei un appaltatore che desidera aggiungere la termografia alla propria gamma di servizi, perché la maggior parte dei clienti ne ha sentito parlare. Le termocamere producono immagini termiche delle apparecchiature, consentendo ai clienti di vedere vantaggi quasi immediati per questo tipo di servizio. Durante un unico sopralluogo presso una struttura, solitamente è possibile trovare almeno un componente che indica che l'apparecchiatura potrebbe guastarsi presto. In questo modo la dimostrazione diventa efficace ed è semplice acquisire nuovi clienti.

Il vantaggio per un appaltatore è quello di disporre di un'ampia esperienza con molti tipi di apparecchiature e situazioni di guasto: proprio come in qualsiasi altra situazione di ricerca guasti, la persona che si trova dietro la termocamera deve attingere alla propria esperienza per analizzare i valori acquisiti. Se questa parte di un quadro elettrico è calda, è necessario esaminare i collegamenti o il carico? Inoltre, se hai già stipulato un contratto con un'azienda per la manutenzione ordinaria e la ricerca guasti, ha senso introdurre anche la termografia. Conosci già la struttura e quali apparecchiature sono fondamentali per ottenere prestazioni ottimali. Ti basta aggiungere le ispezioni termiche ai controlli regolari e avrai a disposizione lo strumento giusto durante le chiamate di ricerca guasti. Inoltre, solo gli elettricisti sono qualificati per lavorare con apparecchiature sotto tensione. Spesso chi effettua un'ispezione termografica non è qualificato e necessita dell'assistenza di un elettricista, di un tecnico o di un ingegnere in loco.

Formazione e Competenze Necessarie

Prima che la termografia diventi parte dei tuoi servizi, considera i corsi organizzati da formatori affidabili. Non solo avrai a disposizione credenziali da proporre ai potenziali clienti, ma acquisirai anche gli strumenti teorici e pratici necessari per ottenere i migliori risultati dalla tua termocamera. In effetti, la formazione è un aspetto importante quando si intraprende una nuova attività.

Formazione richiesta:

Come utilizzare una termocamera
Applicazioni con il massimo ritorno sugli investimenti
Come eseguire correttamente le ispezioni
Come interpretare i risultati e generare report significativi e utilizzabili
Come condurre in sicurezza ispezioni termografiche in un ambiente di lavoro industriale

Applicazioni Tipiche per gli Appaltatori

Gli appaltatori che lavorano su impianti elettrici in genere utilizzano le termocamere per la manutenzione preventiva e la ricerca guasti e talvolta durante l'installazione. Per la manutenzione preventiva, l'appaltatore acquisisce immagini termiche delle apparecchiature chiave (quadri, azionamenti, motori, ecc.) almeno una volta all'anno, se non più spesso, e confronta le immagini in occasione di ogni ispezione. I punti caldi non rilevati l'ultima volta indicano problemi potenziali da indagare prima che causino guasti. Il software della termocamera consente di allineare le immagini in tempi diversi, in modo da poter effettuare confronti coerenti.

Nel proporre questa idea a un cliente, ecco alcuni aspetti aggiuntivi da considerare:

La maggior parte dei meccanismi di guasto delle apparecchiature comporta un aumento significativo della temperatura operativa molto prima che si verifichi un guasto irreparabile.
È consigliabile acquisire le immagini termiche quando l'apparecchiatura è in funzione. Non è necessario arrestare le apparecchiature.
Le immagini termiche vengono acquisite a una distanza di sicurezza. Rischio minimo per la sicurezza (ad eccezione delle apparecchiature sotto tensione, che richiedono comunque precauzioni specifiche).
Le immagini termiche possono fornire informazioni su componenti e apparecchiature non accessibili, ad esempio nei controsoffitti.
Le misurazioni termiche consentono di rilevare guasti imminenti in quasi tutti i tipi di apparecchiature, da quelle elettriche a quelle meccaniche, di processo, elettroniche e così via.
Poiché le ispezioni termiche sono rapide, possono essere effettuate su aree di grandi dimensioni e consentono di individuare problemi in zone che in genere vengono ignorate.

Per la ricerca guasti, l'acquisizione di un'immagine termica di un'apparecchiatura guasta può spesso identificare la fonte del problema: i punti caldi elettrici possono indicare quale fase o connettore controllare, quelli del motore consentono di concentrarsi sui cuscinetti e così via. Quindi, dopo le riparazioni, acquisisci un'altra immagine termica e verifica che il componente non si surriscaldi più o che non lo faccia un componente vicino.

Riepilogo delle Applicazioni Principali

Ecco un riepilogo delle applicazioni principali:

Impianti di distribuzione dell'energia elettrica: Sistemi trifase, quadri di distribuzione, fusibili, cablaggi e collegamenti, sottostazioni, cabine elettriche interrate, ecc.
Apparecchiature elettromeccaniche: Motori, pompe, ventole, compressori, cuscinetti, avvolgimenti, scatole ingranaggi e trasportatori
Strumentazione di processo: Apparecchiature per il controllo dei processi, tubi, valvole, scaricatori di condensa e serbatoi/contenitori
Manutenzione delle strutture: Impianti HVAC, edifici, tetti, isolamento

In realtà, non c'è nessun ostacolo. Gli appaltatori possono acquistare facilmente termocamere convenienti, addestrare rapidamente gli utenti e iniziare immediatamente a utilizzarle per migliorare i servizi per i clienti.