LEDs mit einer Wärmebildkamera untersuchen Thermische Belastung bei LEDs charakterisieren

Durch ihre hohe Blendwirkung lässt sich die Umgebung einer LED nicht direkt beobachten. Stattdessen kommen Wärmebildkameras zum Einsatz, um das Bauteile-Umfeld der LED zu analysieren.

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Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

DMB Technics AG

Gerade bei heutigen LED-Arrays ergibt sich aufgrund der zwischenzeitlich sehr hohen Lichtausbeute eine sehr hohe Blendwirkung, so dass die Umgebung der LED und die darum angeordneten Bauelemente bei eingeschaltetem Leuchtmittel nicht zu beobachten sind. Selbst drastische Farbveränderungen sind an den Bauteilen nicht mehr erkennbar und werden erst offensichtlich, wenn die LEDs abgeschaltet oder gar defekt sind.

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Mit thermographischen Methoden und Wärmebildkameras kann diese Hürde genommen werden. Der wesentliche Vorteil: Die Wärmebildkamera wird im grellen Gegenlicht nicht blind und kann Hot Spots auch direkt neben einer alles überstrahlenden LED erkennen.

Hintergrund für diese Tatsache ist, dass die LED im sichtbaren Wellenlängenbereich von 0,4 bis 0,7 μm abstrahlt, während die abgegebene Wärmestrahlung vom menschlichen Auge nicht erfasst werden kann. In der Realität gibt es keine reinen Schwarzen Körper, die das ganze Spektrum absorbieren bzw. das komplette Spektrum abstrahlen.

Die Oberfläche des Messobjektes entscheidet

Im Bild 3 ist der schematische Zusammenhang der jeweiligen absorbierten, reflektierten und emittierten Leistung zu sehen, die dann auf die Linse der Wärmebildkamera trifft. Die Transmission der Messobjekte kann vernachlässigt werden, weil nur die Oberfläche des Messobjektes entscheidend ist. Dabei zeigt sich, dass die Infrarotstrahlung von der Oberflächentemperatur abhängt.

In der Realität hat man es jedoch nicht mit dem „idealen“, schwarzen Körper zu tun, sondern durch die unterschiedlichen Materialien und Oberflächen-Beschaffenheiten ergibt sich durch die Berechnung der Oberflächen-Temperatur der Emissionsgrad ε. Eine Störstrahlung WS aus der Umgebung, die am Objekt reflektiert wird W_Sr, wird das Ergebnis ebenfalls beeinflussen. Selbst die umgebende Luft-Temperatur und deren relative Feuchtigkeit haben Einfluss auf die Temperaturmessung des beobachteten Objekts, denn ist die Distanz zwischen einem weit entfernten Objekt im Freien (ein Haus) und der Kamera groß, so muss auch dieser Effekt berücksichtigt werden.

Für Objekte wie ein LED-Array (Bild 4) oder ein LED-Band sind die Aufnahmedistanzen eher kurz und so kann eine erste Bestimmung des Emissionsgrades durch Referenz- oder Vergleichsmessungen mit bekannten Oberflächen- oder Kontaktfühlern erfolgen. Eine Thermographie-Kamera misst also nicht direkt die Temperatur, sondern nimmt die ihr angebotene Strahlungsleistung, die Emissionsstrahlung Wε und den reflektierten Störstrahlungsanteil W_Sr, auf. Die Berechnung der Temperatur findet erst in der Kamera über die eingebaute Elektronik statt.

Vergleichs- und Temperaturmessung bei der LED

Die Vergleichsmessung wird typischer Weise in der Produktion oder der Qualitätssicherung eingesetzt. Die erste Baugruppe, das „Golden Device“, wird thermographisch unter festgelegten Rahmenbedingungen vermessen und dokumentiert. Dieses Thermographiebild dient als Erstmuster, oft auch als „Nullmessung“ bezeichnet. Alle Folgemessungen sollten gleich oder sehr ähnlich aussehen – der Farbverlauf und die Farbverteilung dienen als Thermografiemuster und mit der Kamera oder einer Auswertesoftware lassen sich die Unterschiede zwischen der Nullmessung und der realen Messung quantifizieren und darstellen. Je nach Kameramodell sind Temperaturunterschiede bis 30 mK detektierbar.

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Die historischen Grundlagen der Thermografie

Sir William Herschel (1738 – 1822), Hof-Astronom bei König Georg III. von England und Entdecker des Uranus, war auf der Suche nach entsprechend gefärbten Gläsern, um die Sonne zu beobachten. Dabei bemerkte er, dass mit Abhängigkeit vom Spektrum des Lichts eine Wärmestrahlung einhergeht und dass deren Maximum außerhalb des sichtbaren Spektrums liegt. Entsprechende Versuche, wonach er durch die Newtonsche Prismenanordnung die Farbanteile des Sonnenlichts aufspaltete und durch das sich ergebende Spektrum langsam ein Thermometer durchführte, zeigte sich, dass die Temperatur stetig anstieg, je weiter man das Thermometer in den roten Spektralbereich verschiebt. Er erkannte auch, dass Glas nur ein Teil des von der Sonne abgestrahlten Spektrums hindurch lässt.

Andere Forscher jener Zeit entdeckten dann, dass die Kristalle des NaCl diesen Effekt nicht aufweisen. Heutige Objektive von Wärmebildkameras werden aus dem Element Germanium gefertigt, da dieses Material nur eine sehr kleine Filterwirkung für die Wärmestrahlung aufweist. Das Spektrum für Wärmebildkameras umfasst den Wellenlängen-Bereich der Infrarot-Strahlung von ungefähr 2 μm bis 13 μm.

Die Temperaturmessungen der Bauelemente und Baugruppen werden unter bestimmten Rahmenbedingungen vorgenommen. Zunächst müssen der Emissionsgrad der wichtigen und interessierenden Bauteile und auch die reflektierten Störstrahlungsanteile aus der Raumumgebung bestimmt werden. Daher ist es wichtig, dass immer gleiche Ausgangsbedingungen herrschen, um unnötige Referenzmessungen zu vermeiden.

Die gefundenen Referenzwerte werden in die Kamera eingegeben, aus der diese dann die entsprechenden Temperaturen (Temperatur eines Messpunktes oder einer Messfläche) errechnet und auf dem Display der Kamera anzeigt. Über die mitgelieferte Software können die Temperaturen ausgelesen und in entsprechenden Diagrammen dargestellt werden. Das Bild 4 zeigt ein LED-Array, auf dem die Anordnung der Bauelemente und LEDs zu sehen ist.

Reales und Wärmebild werden übereinandergelegt

Alle folgenden thermographischen Bilder beziehen sich auf dieses LED-Array. Zur leichteren Orientierung lassen sich die beiden Bilderarten miteinander vergleichen. Ein Grund, dass Flir bei einigen Kameras das Übereinanderlegen von einem realen Bild und dem Wärmebild implementiert hat. Für genaue Temperaturbestimmungen muss der Emissionsgrad des zu messenden Objektes bestimmt werden, indem man die Temperatur mittels eines Messfühlers misst, den Messpunkt mit der Kamera anpeilt und den Emissionsgrad so einstellt, dass die beiden Temperaturwerte gleich sind. Das Wärmebild Bild 6 zeigt den Einfluss einer Störstrahlung. Das LED-Array ist eingeschaltet. Bewegt man die Hand in ca. 30 cm Abstand über die Anordnung, so kann man im Bild die reflektierte Störstrahlung der Hand erkennen – auf der erwärmten Plantine ist sie nicht sichtbar. Je höher die Objekttemperatur relativ zur Störstrahlung wird, desto geringer wird dieser Einfluss.

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