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적용분야

정밀 온도 계측 기술이 활용되는 다양한 산업 및 공정 영역을 소개합니다.

  • Challenge

    밀폐된 섀시 내부에서 PCB 부품이 과열되면 신뢰성 문제가 발생합니다. 또한 접촉식 열전대는 열용량과 열전도 영향으로 인해 크기가 작고 열에 민감한 부품의 정확한 온도 측정을 왜곡할 수 있습니다.

  • Solution

    장비 하우징에 설치된 적외선 투과 윈도우를 통해 적외선 열화상을 적용함으로써, 섀시 내부의 실제 동작 조건에서 모든 핵심 부품의 온도를 비접촉 방식으로 정확하게 모니터링할 수 있습니다.

  • Benefits

    • 부품 온도에 영향을 주지 않으면서 정확한 실시간 모니터링이 가능합니다.
    • 장비 인클로저 내부의 핫스폿 및 비효율적인 냉각 영역을 감지할 수 있습니다.
    • 설계 및 테스트 단계에서 온도 관련 고장 원인 식별이 향상됩니다.
    • 보다 정밀한 열 분석을 통해 전자 어셈블리의 신뢰성과 수명을 개선합니다.
    • 소형이거나 접근이 어려운 전자 부품에 대해 비접촉 검사를 가능하게 합니다.

테스트 장비의 신뢰성 과제: 과열되는 PCB 부품에 대한 조사

전자 테스트 장비 제조업체는 섀시 내부에 있는 인쇄회로기판(PCB) 중 하나의 부품 과열로 인해 웨이브폼 분석기에서 신뢰성 문제가 발생하고 있는 것으로 의심하고 있습니다.

의심되는 보드에 장착된 모든 전자 부품을 대상으로 허용 최대 동작 온도를 확인하기 위한 종합적인 조사가 수행됩니다. 이후 해당 보드를 테스트 스탠드에 장착하고 전원을 인가하여, 프로세서 부하가 높은 사용 조건을 재현합니다.
주요 부품들은 접촉식 온도계를 사용해 측정되어, 허용 최대 온도를 초과하여 동작하는 부품이 있는지 확인합니다.
측정 결과 모든 부품이 규정된 한계 내에서 동작하고 있었지만, 일부 부품은 최대 허용 온도에 매우 근접한 상태로 동작하고 있는 것으로 확인되었습니다.

표면실장부품(SMD)과 같이 매우 작은 구조물의 온도를 열전대로 측정할 때의 문제점은, 전자 부품의 실제 온도를 정확하게 반영해야 한다는 점입니다. 소형 PCB 부품은 열용량이 매우 작습니다. 이러한 작은 SMD 부품과 비교하면, 열전대는 측정 중에 부품의 온도에 영향을 줄 만큼 충분한 열용량을 가지고 있습니다. 열전대와 그 배선은 전자 부품으로부터 열을 빼앗아 가며, 그 결과 열전대를 부착하지 않았을 때의 실제 SMD 부품 온도보다 더 낮은 온도 값이 측정됩니다. 그 결과, 정적 조건에서는 온도 변화 폭이 실제보다 작게 측정되고, 열 거동(열 동특성)에 대한 측정값도 부정확해집니다.

이에 따라, 밀폐된 케이스 내부의 온도가 부품 온도에 미치는 영향을 고려하기 위해 장비 섀시 내부에서의 온도 측정이 필요하다는 결론에 이르렀습니다. 또한 장비 인클로저 구조로 인해 시야(Line-of-sight)가 차단될 가능성이 있어, 원격 온도 측정은 구현이 어렵다고 판단되었습니다.

테스트 장비의 신뢰성 과제: 과열되는 PCB 부품에 대한 조사
테스트 장비의 신뢰성 문제: 과열되는 PCB 부품에 대한 조사

전자 테스트 장비 제조업체는 섀시 내부에 장착된 인쇄회로기판(PCB) 중 하나의 부품 과열로 인해 웨이브폼 분석기에서 신뢰성 문제가 발생하고 있는 것으로 의심하고 있습니다. 의심되는 보드에 탑재된 모든 전자 부품을 대상으로 최대 동작 온도를 확인하기 위한 종합적인 조사가 수행됩니다. 이후 해당 보드를 테스트 스탠드에 장착하고 전원을 인가하여, 프로세서 부하가 높은 사용 조건을 재현합니다.

주요 부품들은 접촉식 온도계를 사용해 측정되어, 허용 최대 온도를 초과하여 동작하는 부품이 있는지 확인합니다. 측정 결과 모든 부품은 규정된 한계 내에서 동작하고 있었지만, 일부 부품은 최대 허용 온도에 매우 근접한 상태로 동작하고 있는 것으로 확인되었습니다.

표면실장부품(SMD)과 같이 매우 작은 구조물의 온도를 열전대로 측정할 때의 문제점은, 전자 부품의 실제 온도를 정확하게 반영해야 한다는 점입니다. 소형 PCB 부품은 열용량이 매우 작습니다. 이러한 작은 SMD 부품과 비교하면, 열전대는 측정 중에 부품의 온도에 영향을 줄 만큼 충분한 열용량을 가지고 있습니다. 열전대와 그 배선은 전자 부품으로부터 열을 빼앗아 가며, 그 결과 열전대를 부착하지 않았을 때의 실제 SMD 부품 온도보다 더 낮은 온도 값이 측정됩니다. 그 결과, 정적 조건에서는 온도 변화 폭이 실제보다 작게 측정되고, 열 거동(열 동특성)에 대한 측정값도 부정확해집니다.

이에 따라, 밀폐된 케이스 내부의 온도가 부품 온도에 미치는 영향을 고려하기 위해 장비 섀시 내부에서의 온도 측정이 필요하다는 결론에 이르렀습니다. 또한 장비 인클로저 구조로 인해 시야(Line-of-sight)가 차단될 가능성이 있어, 원격 온도 측정은 구현이 어렵다고 판단되었습니다.

테스트 장비의 신뢰성 문제: 과열되는 PCB 부품에 대한 조사
적외선 기술을 활용한 전자 인클로저 내 온도 측정 최적화

일반적으로 전자 부품 및 어셈블리에 대한 열화상 검사는 초기 프로토타입 개발 단계부터 양산에 이르기까지, 고장 검출과 품질 관리를 위한 확립된 시험 방법입니다. 이 방법은 인쇄회로기판(PCB), 집적회로(IC), 멀티칩 모듈 표면에서 발생하는 핫스폿이나 비정상적인 온도 분포와 같은 다양한 문제를 감지합니다. 이를 통해 접촉 저항 증가, 접합부 내부의 숨겨진 균열, RF 미스매치로 인한 전력 손실, 히트싱크의 잘못된 열 연결, 단락, 그리고 콜드 솔더 조인트와 같은 솔더링 결함을 식별할 수 있습니다.

이 적용 사례에서는 적외선 투과 소재와 함께 사용되는 적외선 카메라를 통해, 장비 인클로저(섀시) 내부의 일반적인 동작 환경을 재현하면서 모든 핵심 보드 부품의 온도를 정확하게 평가합니다. 상단 커버의 일부를 제거한 뒤, 사란 랩(Saran wrap)부터 시작해 여러 종류의 적외선 투과 소재를 적용해 시험을 진행합니다. 사란 랩은 적외선 영역에서 매우 높은 투과율을 보여 신호 감쇠가 10% 미만에 불과했지만, 장비의 팬이 작동하면 흔들리는 문제가 있었고 내구성 측면에서도 한계가 있었습니다. 아연 셀레나이드(Zinc Selenide, ZnSe)는 내구성이 뛰어나고 가시 관찰이 가능하다는 점에서 최적의 솔루션으로 고려되었으나, PCB 전체를 덮을 수 있을 만큼 큰 윈도우의 비용이 매우 높다는 단점이 있었습니다. 전기 스위치기어의 적외선 검사에 일반적으로 사용되는 플루오르화칼슘(Calcium Fluoride) 적외선 윈도우가 최종적으로 가장 적합한 해결책으로 판단되었습니다. ZnSe보다 적외선 투과율은 낮지만, 이는 정확한 온도 측정을 위한 보정 과정에서 충분히 반영할 수 있습니다. 적외선 윈도우의 금속 하우징은 금속 인클로저에 쉽게 장착할 수 있으며, 가격이 합리적이어서 여러 개의 윈도우를 설치해 모든 주요 부품의 데이터를 수집할 수 있습니다. 그 결과, 열을 발생시키는 다른 부품과 인접한 장착 위치와 열을 효과적으로 분산시키지 못하는 공기 흐름 부족으로 인해 두 개의 장치가 허용 온도를 초과해 동작하고 있음이 즉시 확인되었습니다.

적외선 기술을 활용한 전자 인클로저 내 온도 측정 최적화
적외선 카메라는 열 전자 부품 측정에서 접촉식 열전대보다 우수한 성능을 제공

Optris Xi 400은 소형 설계로 레일 시스템에 쉽게 장착할 수 있으며, 적외선 윈도우가 설치된 장비 섀시의 상부와 하부 모두에 설치할 수 있습니다. 중요한 부품을 최적으로 관측할 수 있도록 시야(Line of Sight)를 고려해 각도를 조절할 수 있습니다. PIX Connect 소프트웨어를 사용하면 밀폐된 공간 내에서 가장 높은 온도를 나타내는 픽셀을 측정하도록 스폿이나 소형 영역을 손쉽게 설정할 수 있으며, 추적 가능한 부품 수에는 제한이 없습니다. 시간 대비 온도 데이터는 간단하게 수집하여 CSV 파일로 저장할 수 있어, 이후 분석과 연구에 활용하기에 용이합니다. 또한 소프트웨어에 포함된 “핫 스팟(Hot Spot)” 도구는 보드에서 가장 높은 온도가 발생하는 위치를 식별하는 데 매우 유용합니다.

정확한 온도 측정을 위해서는 적외선 윈도우를 통과하는 적외선 투과율을 측정하고 보정하는 과정이 매우 중요합니다. PIX Connect의 투과율 설정 기능을 사용하면, 윈도우가 없는 상태에서의 대상 온도와 IR 윈도우를 설치한 상태에서의 온도를 비교하여 두 값이 일치할 때까지 투과율 계수를 조정함으로써 투과율을 손쉽게 측정할 수 있습니다. 또한 소형 부품에 접촉식 열전대를 부착하면 열을 외부로 전달해 부품 온도를 낮출 수 있다는 점이 확인되었으며, 이로 인해 적외선 카메라 측정값이 열전대 측정보다 더 정확하다는 사실이 밝혀졌습니다. 세라믹 재질과 모든 폴리머 기반 소재에서는 정확한 측정이 가능했지만, 금속 캔 형태의 부품에는 표면 방사율을 높이기 위해 카본 블랙을 도포할 필요가 있었습니다.

적외선 카메라는 열 전자 부품 측정에서 접촉식 열전대보다 우수한 성능을 제공

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