Berührungslose Schichtdickenbestimmung mittels IR-Thermographie

Die Intego GmbH aus Erlangen präsentiert ein thermographisches Messsystem zur ortsaufgelösten Bestimmung der Dicke von Beschichtungen. Durch die kurze und zerstörungsfreie Blitzanregung und die schnelle und empfindliche Infrarot (IR)-Kamera können auch sehr dünne Schichten > 3 µm und gut wärmeleitende Beschichtungen analysiert werden. Neben der Schichtdickenbestimmung findet das Thermographie-System z. B. auch bei der Detektion von Poren, Rissen, Lunkern, Delaminationen und anderen Defekten in Metallen, Keramiken, Kunststoffen, Hölzern und Verbundwerkstoffen sowie bei der Detektion von elektrischen und mechanischen Defekten in Halbleiterbauteilen und -modulen Anwendungsfelder.

Messprinzip der Thermographie

Die Thermographie ist ein bildgebendes Verfahren zur Anzeige der Oberflächentemperatur bzw. der IR-Strahlungsintensität von Oberflächen. Unterschiedliche IR-Strahlungsintensitäten werden durch Temperaturunterschiede, Emissionsgradunterschiede oder einer Kombination dieser beiden Parameter hervorgerufen.

Mit dem vorgestellten System können berührungslos und bildgebend die Dicken von Beschichtungen auf z. B. Metallen, Keramiken oder Gläsern bestimmt werden. Dazu erwärmt man die Oberfläche des Prüflings zerstörungsfrei mit einem kurzen Blitzimpuls und nimmt mit der IR-Kamera das Abkühlverhalten der Oberflächentemperatur nach dem Blitzimpuls auf. Mithilfe der Materialparameter von Beschichtung und Substrat kann aus dem Abkühlverhalten die Dicke der Beschichtung berechnet werden.

Infrarot-Mess- und Prüfsystem für aktive Thermographie mit Blitzanregung
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Infrarot-Mess- und Prüfsystem für aktive Thermographie mit Blitzanregung

Daneben kann die Thermographie auch zur Detektion oberflächennaher Defekte eingesetzt werden. Denn Temperaturunterschiede auf einem Prüfling können durch einen inhomogenen Wärmefluss im Bauteil selbst hervorgerufen werden. Der Wärmefluss wird dabei durch den Produktionsprozess selbst hervorgerufen oder durch innere bzw. äußere Anregungsquellen zerstörungsfrei erzeugt. Als Anregungsquellen kommen z. B. optische Anregung (Laser, LEDs, Blitz, Strahler usw.), elektrische Anregung, induktive Anregung, Heißluftanregung sowie Anregung durch Ultraschall in Frage. Unterschiedliche Schichten oder Fehlstellen im Inneren von Materialen beeinflussen den Wärmefluss. Die daraus resultierenden Temperaturunterschiede an der Oberfläche des Objekts werden mit einer IR-Kamera erfasst und nachfolgend ausgewertet.

Manchmal werden auch Emissionsgradunterschiede zur Qualitätskontrolle herangezogen. Wenn der Emissionsgrad einer Objektoberfläche variiert, emittiert sie mehr bzw. weniger thermische Strahlung und ist somit im Thermographiebild heller bzw. dunkler. Damit können z. B. Materialien voneinander unterschieden und getrennt werden. Dieser Effekt kann durch zusätzliche IR-Beleuchtung oder Heizung der Objekte verstärkt werden.

Lock-in-Thermographie einer Solarzelle aus multikristallinem Silicium
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Lock-in-Thermographie einer Solarzelle aus multikristallinem Silicium. Die hellen Bereiche sind elektrisch aktive Defekte, die den Wirkungsgrad der Solarzelle reduzieren

Mögliche Anwendungsbereiche für die Inspektion mit Thermographie

Detektion von Poren, Rissen, Lunkern, Delaminationen und anderen Defekten in Metallen, Keramiken, Kunststoffen, Holzern und Verbundwerkstoffen

Detektion von elektrischen und mechanischen Defekten in Halbleiterbauteilen und -modulen.

Detektion von elektrischen Defekten (siehe Bild. 2), Rissen und Verunreinigungen in Solarmaterialien.

Bestimmung der Dicke von Beschichtungen, auch Mehrschichtsystemen

Bestimmung der Oberflächentemperatur von Objekten (z. B. Gebäude, Halbleiterbauteile, Solarmodule, Bremsen von Kraftfahrzeugen und Zügen)

Bestimmung der elektrischen Qualität von Solarmaterialien, z. B. Minoritätsladungsträgerlebensdauer

Überprüfung der Qualität von Klebe und Schweißverbindungen

Überwachung und Steuerung von Schweißprozessen, z. B. beim Kunststoffschweißen (siehe Bild 3)

Nachweis von Gasemissionen durch spektral aufgelöste Thermographie

Infrarot-Temperaturmessung einer Laserschweißnaht während des Kunststoffschweißens
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Infrarot-Temperaturmessung einer Laserschweißnaht während des Kunststoffschweißens. Der schwarze Kreis markiert eine Unterbrechung der Schweißnaht