01.紅外熱像儀測(cè)溫原理

任何溫度比絕對(duì)零度（-273℃）高的物體，均會(huì)有產(chǎn)生熱輻射；根據(jù)物體的溫度不同，其輻射產(chǎn)生的能量和波長(zhǎng)也會(huì)不同。由玻耳茲曼定律可知，紅外熱輻射的功率與其絕對(duì)溫度的四次方成正比，即W=εσT4。

紅外熱像儀通過光學(xué)系統(tǒng)將探測(cè)物體的紅外熱輻射光譜反映到CMOS光電探測(cè)器陣列，由光電探測(cè)器陣列轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)信號(hào)放大及圖像處理形成可視覺分辨的紅外熱像圖。當(dāng)電子產(chǎn)品處于工作狀態(tài)時(shí)，若內(nèi)部元器件有電流通過，將產(chǎn)生耗散功率。由于熱輻射作用，不同功率的元器件，其表面的溫度也各不相同。當(dāng)元器件發(fā)生失效時(shí)，其流經(jīng)電流的變化會(huì)引起表面溫度的變化。通過探測(cè)失效產(chǎn)品表面紅外熱輻射，并與良品呈現(xiàn)的紅外熱像圖進(jìn)行對(duì)比，理論上可以判定內(nèi)部失效元器件的位置。但是，由于產(chǎn)品內(nèi)部元器件具有互聯(lián)和相關(guān)性，當(dāng)產(chǎn)品內(nèi)部存在功率較大的器件時(shí)，其熱輻射能較大，熱場(chǎng)擴(kuò)散較快，容易影響到其它元器件的工作，遮蓋真正的失效點(diǎn)。

02.測(cè)溫精度影響因素

根據(jù)紅外熱像儀的測(cè)溫原理可知，系統(tǒng)顯示的溫度是依據(jù)測(cè)量輻射能計(jì)算得出的。故溫度測(cè)量精度受多種因素的影響，包括物體表面的發(fā)射率、反射率，室內(nèi)環(huán)境溫度、測(cè)量距離等。紅外熱像儀接收的表面輻射主要來自于被測(cè)物體輻射、環(huán)境輻射和大氣輻射三部分，即：

故提升熱像儀測(cè)溫精度的關(guān)鍵在于降低環(huán)境反射和大氣輻射兩部分的影響，使其接收到的輻射更接近物體本身發(fā)出的輻射。而其中環(huán)境反射的影響主要與環(huán)境溫度有關(guān)，環(huán)境溫度越高，誤差越大。

綜上所述，在實(shí)際應(yīng)用過程中，降低環(huán)境因素影響，控制內(nèi)部元器件熱場(chǎng)擴(kuò)散，有利于提升紅外熱像儀失效定位的精度和準(zhǔn)確性。

紅外熱像圖改善放方法

小型模塊失效定位與單片集成電路失效定位需求不同，其失效定位目的主要在于快速準(zhǔn)確定位出內(nèi)部失效的元件或器件，單片集成電路失效定位主要用于內(nèi)部芯片局部熱點(diǎn)的探測(cè)，兩者原理和技術(shù)手段均有區(qū)別。前者更強(qiáng)調(diào)熱像儀具有大視野范圍，便于整體觀察，其分辨率和定位精度相對(duì)差，而后者強(qiáng)調(diào)高精度、靈敏度，其視野范圍必然較小。本文主要是針對(duì)板級(jí)紅外熱像儀，以降低環(huán)境溫度影響以及減緩內(nèi)部熱場(chǎng)擴(kuò)散為目的，提供幾種小型模塊及組件熱像圖改善的實(shí)踐方法，從而為開展微電路模塊失效定位提供一種思路，指導(dǎo)失效分析工作。

01、提高熱像圖溫度閾值

本試驗(yàn)所用熱像儀為FLIRA65SC型號(hào)，觀測(cè)范圍310mmx310mm，波長(zhǎng)范圍7.5-13.5μm，分辨率640x480像素，執(zhí)靈敏度0.03℃，如下圖所示。

圖1 紅外熱像儀

選取某電源模塊，按手冊(cè)要求施加工作電壓使其處于工作狀態(tài)，可觀察，加電后模塊內(nèi)部元器件升溫，熱場(chǎng)迅速擴(kuò)散，從而影響到相鄰元器件的狀態(tài)，從熱像圖中難以識(shí)別和判斷具體元器件位置，成像效果較差。

為提升紅外熱像圖襯度，首先對(duì)良品模塊內(nèi)部左側(cè)片狀區(qū)域的平均溫度進(jìn)行測(cè)量，在對(duì)失效品進(jìn)行成像時(shí)，將此溫度設(shè)置為熱像圖溫度顯示基準(zhǔn)值，經(jīng)數(shù)據(jù)采集軟件降噪處理，當(dāng)存在高于發(fā)溫度的異常熱點(diǎn)時(shí)更易干識(shí)別和定位。由下圖可見，提高熱像圖溫度閾值后，模塊內(nèi)部元器件位置及發(fā)熱情況基本可辨別，但右下區(qū)域仍存在片狀發(fā)熱區(qū)域，辨識(shí)度差。

   (a)工作狀態(tài)   

 (b)提高圖像閾值后

圖2 電源模塊閾值改善效果

02、半導(dǎo)體制冷器降溫

通過調(diào)研可知，背景環(huán)境對(duì)熱輻射測(cè)量精度有影響，環(huán)境溫度越低，影響越小。同時(shí)降低背景溫度有利于減緩器件加熱狀態(tài)下熱擴(kuò)散的速度：改善紅外熱像圖質(zhì)量。本文從操作可實(shí)施性考慮，選取半導(dǎo)體制冷器用于器件降溫，其主要原理是利用半導(dǎo)體材料的Peltier效應(yīng)，當(dāng)對(duì)其施加直流電時(shí)，兩種不同半導(dǎo)體材料排列組成熱電偶對(duì)，可以實(shí)現(xiàn)一面制冷、一面制熱的目的。該制冷器根據(jù)室內(nèi)的環(huán)境溫度不同，最低制冷溫度-10℃，臺(tái)面降溫效果下圖所示。

(a)制冷前

（b)制冷后

圖3 半導(dǎo)體制冷器

將電源模塊放置于半導(dǎo)體制冷臺(tái)上，降溫處理后，右下區(qū)域發(fā)熱量較大的元器件熱場(chǎng)擴(kuò)散得到控制，可以顯易的分辨模塊內(nèi)部各位置元器件類別，同時(shí)各元器件發(fā)熱情況對(duì)比更清晰，紅外熱像圖襯度明顯提升，從而有助于捕捉到模塊內(nèi)部異常熱點(diǎn)，如下圖4所示。

(a)降溫前

(b)降溫后

圖4 電源模塊降溫前后熱像圖改善效果

03、合理的電激勵(lì)方式

由于內(nèi)部失效點(diǎn)往往不是溫度最高的點(diǎn)，也不一定是溫升速度最快的點(diǎn)。所以在采用紅外熱像儀進(jìn)行失效定位時(shí)，由于模塊內(nèi)某些元器件溫升速度過快，其紅外輻射可能會(huì)影響到真正失效器件的紅外輻射，尤其是長(zhǎng)時(shí)間工作狀態(tài)下測(cè)試時(shí)更明顯。因此，需要盡量減小這類器件工作的影響。除了采用上述兩種手段降低影響外，還可以考慮施加不同的電激勵(lì)條件。對(duì)于引腳間I-V特性無明顯異常的失效元器件可以考慮施加脈沖電激勵(lì)，防止元器件在直流電應(yīng)力條件下溫升過高，熱場(chǎng)擴(kuò)散過快，對(duì)于引腳間Ⅰ-V特性存在明顯差異，尤其是出現(xiàn)短路、阻性等情況時(shí)可以考慮僅在引腳間施加電壓，使得僅與端口特性回路相關(guān)的內(nèi)部器件處于通電狀態(tài)，利于查找內(nèi)部失效點(diǎn)。以某電源模塊為例，在施加工作電壓時(shí)內(nèi)部功率管發(fā)熱最嚴(yán)重，影響相鄰元器件熱場(chǎng)，而在禁止端與地之間施加電壓時(shí)，內(nèi)部功率管處于非工作狀態(tài)，減小了非失效相關(guān)器件的熱場(chǎng)影響，如下圖白色圓圈所示。

(a)禁止端與地之間加電工作狀態(tài)

(b)端與地之間加點(diǎn)工作狀態(tài)

圖5 不同激勵(lì)條件下熱像圖分部

引用本文：

馮慧，尹麗晶，范士海. 基于紅外熱像儀的微電路模塊失效定位方法[J].環(huán)境技術(shù)，2020，227(6):119-123.

專家簡(jiǎn)介：馮慧，航天科工防御技術(shù)研究試驗(yàn)中心，女，碩士，工程師，主要從事元器件失效分析、結(jié)構(gòu)分析、可靠性評(píng)價(jià)工作。