Em Situ Surface Temperature Measurement em um forno de correia transportadora através de Termografia Infravermelha Inline

Resumo

Este protocolo descreve como instalar uma câmera infravermelha em um forno de correia transportadora, realizar uma correção do cliente de uma câmera ir calibrada de fábrica e avaliar a distribuição da temperatura da superfície espacial de um objeto de interesse. Os objetos de exemplo são células solares de silício industriais.

Resumo

Medir a temperatura superficial dos objetos que são processados em fornos de correia transportadora é uma ferramenta importante no controle de processos e garantia de qualidade. Atualmente, a temperatura superficial dos objetos processados em fornos de correia transportadora é tipicamente medida através de termopares. No entanto, a termografia infravermelha (IR) apresenta múltiplas vantagens em comparação com as medidas termoparentais, pois é um método sem contato, em tempo real e espacialmente resolvido. Aqui, como exemplo representativo de prova de conceito, um sistema de termografia inline é instalado com sucesso em um forno de disparo solar alimentado por lâmpadas IR, que é usado para o processo de disparo de contato de células solares Si industriais. Este protocolo descreve como instalar uma câmera IR em um forno de correia transportadora, realizar uma correção do cliente de uma câmera ir calibrada de fábrica e realizar a avaliação da distribuição de temperatura da superfície espacial em um objeto alvo.

Introdução

O controle de processos e a garantia de qualidade dos objetos processados nos fornos da correia^{transportadora 1} são importantes e realizados medindo a temperatura da superfície do objeto. Atualmente, a temperatura é tipicamente medida por um termopar¹. Como as medidas termoparentas requerem contato com o objeto, os termopares inevitavelmente danificam o objeto. Portanto, é comum escolher amostras representativas de um lote para medições de temperatura, que não são processadas mais uma vez que ficam danificadas. As temperaturas medidas desses objetos danificados são então generalizadas para as amostras restantes do lote, que são processadas posteriormente. Assim, a produção deve ser interrompida para medições termoparesas. Além disso, o contato é local, precisa ser reajustado após cada medição, e influencia a temperatura local.

A termografia infravermelha (IR)² tem uma série de vantagens sobre as medições clássicas do termopar e representa um método de medição de temperatura sem contato, in situ, em tempo real, economia de tempo e espacialmente resolvido. Utilizando este método, cada amostra do lote, incluindo as que são processadas, pode ser medida sem interromper a produção. Além disso, a distribuição da temperatura da superfície pode ser medida, o que fornece uma visão da homogeneidade da temperatura durante o processo. O recurso em tempo real permite a correção das configurações de temperatura em tempo real. Até agora, as possíveis razões para não usar a termografia de IR em fornos de correia transportadora são 1) parâmetros ópticos desconhecidos de objetos quentes^{(especialmente}para não metálicos 3 ) e 2) radiação ambiental parasitária no forno (ou seja, radiação refletida detectada pela câmera IR, além da radiação emitida do objeto), o que leva à falsa saída de temperatura².

Aqui, como exemplo representativo de prova de conceito da termografia de IR em um forno de correia transportadora, instalamos com sucesso um sistema de termografia inline em um forno de disparo solar movido a lâmpada IR(Figura 1),que é usado durante o processo de disparo de contato das células solares Si industriais(Figura 2A,B)^4,5. O processo de disparo é um passo crucial no final da produção industrial de células solares⁶. Durante esta etapa, os contatos da célula são formados^7,,8, e a passivação da superfície é ativada⁹. Para alcançar este último com sucesso, o perfil de temperatura de tempo durante o processo de disparo (Figura 2C) deve ser realizado com precisão. Portanto, é necessário um controle de temperatura suficiente e eficiente. Este protocolo descreve como instalar uma câmera IR em um forno de correia transportadora, realizar uma correção do cliente de uma câmera ir calibrada de fábrica e avaliar a distribuição da temperatura da superfície espacial de um objeto alvo.

Protocolo

1. Instalação de câmera IR em um forno de correia transportadora

1. Decida qual parte do forno deve ser medida pela câmera de RI.
   NOTA: Aqui, a zona de pico do processo de disparo é escolhida (veja a zona laranja destacada na área de disparo da Figura 1A).
2. Defina a faixa de temperatura de interesse que a câmera IR deve detectar (por exemplo, 700-900 °C, a faixa de temperatura máxima típica do processo de disparo).
3. Determine, ou pelo menos estimar (através de experimentos ou literatura), as emissões dependentes de temperatura, espectral e angular do objeto (por exemplo, célula solar de silício) para identificar a faixa de comprimento de onda(s) de maior emissão para a faixa de temperatura de interesse (sob um ângulo específico da câmera).
   NOTA: Aqui, a emissão é estimada com base na literatura anterior³ e em um software chamado RadPro¹⁰, que calcula a emissividade espectral, angular e dependente da temperatura para materiais de interesse.
4. Decidindo sobre o tipo de câmera IR
   NOTA: Aqui, é utilizada uma câmera antimonida de índio (INSB) de infravermelho de ondas médias (MWIR).Table of Materials
   1. Escolha uma câmera que possa detectar a faixa de temperatura de interesse.
   2. Selecione uma câmera cujo comprimento de onda de detecção corresponde à faixa de comprimento de onda de maior emissão do objeto de interesse na faixa de temperatura de interesse.
   3. Evite o máximo possível de detecção de radiação parasitária pela câmera, evitando objetos que emitem ou refletem radiação no campo de visão da câmera (por exemplo, lâmpadas ir em um forno).
   4. Decida sobre a necessária resolução espacial e temporal da câmera (por exemplo, 640 px x 512 px e 125 Hz [imagem completa] para a câmera usada aqui).
5. Realize um caminho óptico suficiente da câmera IR para objeto (ver Figura 1B).
   1. Evite objetos perturbadores no caminho óptico (por exemplo, lâmpadas IR causando luz direta ou refletida).
   2. Posicione a câmera do lado de fora da câmara do forno, se possível.
      NOTA: A maioria das câmeras tem baixas temperaturas de funcionamento (por exemplo, até 50 °C). Certifique-se com antecedência de que a posição da câmera pode ser alterada, se desejar.
   3. Remova a parede do forno e o isolamento no local onde o caminho óptico deve estar e substitua o orifício por uma janela de IR isolante.
      1. Escolha o material apropriado para a janela que atenda às seguintes demandas: 1) o mais transparente possível para a faixa de comprimento de onda (λ) de detecção da câmera (por exemplo, janela de vidro de quartzo para ~0,2 μm < λ < 3 μm, janela de safira para ~0,4 μm < λ < 4,2 μm) e 2) capaz de isolar a câmara de forno termicamente.
         NOTA: As temperaturas resultantes da janela podem influenciar a transmissão da janela.
      2. Evite danos na janela ir. Não aperte a janela para evitar quebra durante a expansão do calor.
         NOTA: O material da janela deve ter uma quantidade suficiente de espaço para expandir quando aquecido.
6. Verifique o campo de visão resultante (FOV) da câmera IR examinando a imagem da termografia através do software da câmera IR. Identifique o objeto-alvo e sua temperatura na imagem da termografia. Ajuste o FOV, se necessário.

2. Correção global da temperatura do cliente de uma câmera IR calibrada de fabricação

ATENÇÃO: A fabricação da câmera IR deve incluir uma calibração radiométrica.

1. Detectar artefatos ópticos locais, como reflexão e radiação de fundo.
2. Realize medições termopares clássicas do objeto enquanto grava simultaneamente o wafer, incluindo termopar com a câmera IR.
   1. Verifique a validade dos termopares usados. Procure por pontos de temperatura característicos conhecidos no perfil de temperatura do objeto processado que podem ser claramente detectados (por exemplo, interrupção em uma linha lisa). Se o termopar mede corretamente esses pontos de temperatura, o termopar é provavelmente corretamente calibrado.
   2. Exemplo usando células solares de silício
      1. Coloque o termopar no lado de alumínio traseiro do wafer. Faça um perfil de temperatura para um processo de disparo padrão¹¹.
      2. Valide os termopares determinando se há uma interrupção no perfil de temperatura da etapa 2.2.2.1 em torno da temperatura eutectica Al-Si de 577 °C na forma de uma curva mais plana (como é o caso da Figura 2D).
         NOTA: Se a interrupção ocorrer na temperatura em torno de 577 °C, é um sinal de que a medição da temperatura pelo termopar é precisa. Use apenas termopares validados para as etapas seguintes.
   3. Realizar medições termopares na faixa de temperatura de interesse no mesmo ponto de objeto (várias vezes por razões estatísticas), em seguida, em pontos espacialmente vários pontos aleatórios (por razões estatísticas) para obter perfis de temperatura-tempo.
3. Determine a temperatura do objeto de termografia não corrigida local sob os termopares a partir das medidas termopar a partir da etapa 2.2.3 enquanto coloca o termopar na parte superior do objeto.
   1. Verifique se há uma possível queda de temperatura local ao redor do termopar de contato (devido à dissipação de calor e sombreamento). Assuma a temperatura nas proximidades do termopar como a temperatura do objeto diretamente sob o termopar, se uma queda de temperatura local não estiver presente.
   2. Execute as seguintes etapas se houver uma queda de temperatura local.
      1. Determine o gradiente de temperatura espacial da atual queda de temperatura na parte que não está coberta pelo termopar.
         NOTA: Recomenda-se determinar o gradiente em vários pontos ao redor da queda de temperatura (radialmente) e determinar um gradiente médio.
      2. Estime a contribuição de possíveis artefatos ópticos induzidos pelo termopar (exemplo de protocolo para um caso em que a temperatura homogênea ao longo da direção de profundidade celular é assumida, como em células solares si).
         1. Coloque o termopar na superfície oposto à superfície medida e repita a medida termopar e a termórica nesta configuração (como mostrado na Figura 3A). Gire o objeto, incluindo o termopar, ao redor para que o termopar não esteja no caminho óptico entre a câmera e o objeto.
            NOTA: Se o gradiente da queda de temperatura local for o mesmo para o termopar estar dentro e fora do caminho óptico (ou seja, ligado à superfície medida ou oposta), é um sinal de que o termopar provavelmente não induz artefatos ópticos.
         2. Extrapolar o gradiente da queda de temperatura no caso do termopar entrar em contato com a superfície medida (ou seja, dentro do caminho óptico) para a área coberta pelo termopar para obter a temperatura do objeto sob o termopar.
         3. Repita 2.3.2.2.2 para cada medição da etapa 2.2.3.
4. Alternativa a 2.3: Determine a temperatura do objeto de termografia não corrigida local sob os termopares a partir das medidas do termopar a partir da etapa 2.2.3 enquanto coloca o termopar no lado inferior do objeto. Para determinar a temperatura das células solares termográficas locais sob o termopar, extraia a temperatura local na posição do termopar.
   NOTA: Manter o termopar no lado traseiro impede que o termopar bloqueie a visão do objeto pela câmera. Portanto, por um lado, a correção da temperatura é significativamente mais simples. Por outro lado, os termopares geralmente não estão posicionados no lado inferior do objeto durante o processo de disparo, podendo levar a complicações operacionais, razão pela qual essa alternativa precisa ser realizada com cuidado extra.
5. Corrija a imagem termografia não corrigida em relação às temperaturas medidas do termopar com os dados gerados a partir das etapas 2.3 ou 2.4.
   1. Plote as temperaturas medidas através de termospetos contra as temperaturas determinadas através da termografia ir não corrigida. Conduza um encaixe de curva.
   2. Aplique o ajuste de curva obtido como uma fórmula de correção global uniforme geral para a imagem termografia não corrigida.
6. Repita a correção de temperatura para cada novo tipo ou configuração do objeto, especialmente quando os parâmetros ópticos diferem.

3. Avaliação da distribuição da temperatura da superfície espacial via termografia do IR

NOTA: As condições de disparo são consideradas idênticas para esta seção.

1. Criação de um mapa de distribuição de temperatura máxima bidimensional (ver Figura 4A)
   1. Escreva um script com uma linguagem de programação apropriada para rastrear a temperatura do objeto superficial para cada ponto de superfície do objeto ao longo de toda a câmera FOV, ou seja, agindo como um "termopar virtual" colocado em todos os pontos do objeto simultaneamente.
      NOTA: Aqui, o script está escrito no MATLAB.
   2. Extrair o valor máximo, ou seja, a temperatura máxima, para cada ponto do objeto e plotar essas temperaturas em um mapa de distribuição 2D correspondente.
2. Distribuição média de temperatura e perpendicular à direção de rendimento do objeto (ver Figura 4B)
   1. Na direção de rendimento: média da distribuição de temperatura 2D na dimensão oposta à direção de rendimento. O que resta é a distribuição média de temperatura 1D na direção de rendimento.
   2. Perpendicular à direção de rendimento: média da distribuição de temperatura 2D na dimensão que está na direção de throughput. O que resta é a distribuição média de temperatura 1D perpendicular à direção de rendimento.
      NOTA: Recomenda-se deixar de fora o último centímetro (pelo menos) da borda para a média, uma vez que artefatos ópticos na borda do objeto podem falsificar a média de temperatura resultante.

Resultados

Como mostrado na Figura 3B−D, o objeto de exemplo (aqui, uma célula solar de silício; estritamente falando, um emissor passivado e célula traseira [PERC]¹²; Figura 2A,B) pode ser claramente detectada pela câmera IR em diferentes configurações⁴. As diferentes configurações são monofacialmente metalizadas(Figura 3B),amostras de PERC metalizada...

Discussão

Comumente, a temperatura da termografia é corrigida através da medição e adaptação dos parâmetros ópticos do objeto, janela e caminho transmissivos e temperatura ambiental do objeto e janela transmissiva². Como método alternativo, uma técnica de correção de temperatura baseada em medidas termoparentais é descrita neste protocolo. Para este último método, não é necessário conhecimento dos parâmetros mencionados acima. Para a aplicação aqui mostrada, este método é suficiente. ...

Materiais

Name	Company	Catalog Number	Comments
Datalogger incl. Thermal barrier	Datapaq Ltd.
IR thermography camera "Image IR 8300"	InfraTec GmbH
IR thermography software "IRBIS Professional 3.1"	InfraTec GmbH
Solar cells	Fraunhofer ISE
Solar firing furnace "RFS 250 Plus"	Rehm Thermal Systems GmbH
Sheath thermocouples type K	TMH GmbH
Thermocouple quartzframe	Heraeus Noblelight GmbH