基于紅外熱像儀的微電路模塊失效定位方法

馮慧，尹麗晶，范士海

（1.航天科工防御技術研究試驗中心，北京 100854； 2.中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050000）

引言

失效分析技術在提高電子產品的可靠性方面起著至關重要的作用。小型模塊及組件內部失效點的快速定位一直是失效分析中的難題。隨著PCB制造工藝和集成電路技術的迅速發展，電路板上元器件越來越密集，傳統的故障定位技術已越來越難以滿足需求。理論上當混合集成電路或模塊處于非正常工作狀態下時，其溫度分布與正常工作狀態存在區別，通過紅外熱像儀探測板上電子元器件的溫度變化可實現失效點定位。但在實際應用中，紅外熱像圖受樣品發射率、環境、圖像處理等多方面因素影響，定位效果并不理想。本文通過調研紅外熱成像定位精度影響因素，提出了改善紅外熱成像失效定位效果的實踐方法，并總結了相關經驗，用于指導微電路模塊失效分析工作。

1 紅外熱成像測溫原理及影響因素

1.1 紅外熱像儀測溫原理

任何溫度比絕對零度（-273 ℃）高的物體，均會有產生熱輻射；根據物體的溫度不同，其輻射產生的能量和波長也會不同。由玻耳茲曼定律可知，紅外熱輻射的功率與其絕對溫度的四次方成正比，即W=εσT4[1]。

紅外熱像儀通過光學系統將探測物體的紅外熱輻射光譜反映到CMOS光電探測器陣列，由光電探測器陣列轉換成電信號，經信號放大及圖像處理形成可視覺分辨的紅外熱像圖。當電子產品處于工作狀態時，若內部元器件有電流通過，將產生耗散功率[2,3]。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。當元器件發生失效時，其流經電流的變化會引起表面溫度的變化。通過探測失效產品表面紅外熱輻射，并與良品呈現的紅外熱像圖進行對比，理論上可以判定內部失效元器件的位置。但是，由于產品內部元器件具有互聯和相關性，當產品內部存在功率較大的器件時，其熱輻射能較大，熱場擴散較快，容易影響到其它元器件的工作，遮蓋真正的失效點。

1.2 測溫精度影響因素

根據紅外熱像儀的測溫原理可知，系統顯示的溫度是依據測量輻射能計算得出的。故溫度測量精度受多種因素的影響，包括物體表面的發射率、反射率，室內環境溫度、測量距離等。紅外熱像儀接收的表面輻射主要來自于被測物體輻射、環境輻射和大氣輻射三部分，即：

式中：

Eλ—熱像儀接收的表面輻射；

τaλ—大氣的透射率；

ελ—被測物體表面發射率；

Ebλ—黑體輻射出射度；

Ta—被測物體表面溫度；

Tu—環境溫度[4]。

故提升熱像儀測溫精度的關鍵在于降低環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出的輻射。而其中環境反射的影響主要與環境溫度有關，環境溫度越高，誤差越大。

綜上所述，在實際應用過程中，降低環境因素影響，控制內部元器件熱場擴散，有利于提升紅外熱像儀失效定位的精度和準確性。

2 紅外熱像圖改善方法

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確定位出內部失效的元件或器件，單片集成電路失效定位主要用于內部芯片局部熱點的探測，兩者原理和技術手段均有區別。前者更強調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差，而后者強調高精度、靈敏度，其視野范圍必然較小。本文主要是針對板級紅外熱像儀，以降低環境溫度影響以及減緩內部熱場擴散為目的，提供幾種小型模塊及組件熱像圖改善的實踐方法，從而為開展微電路模塊失效定位提供一種思路，指導失效分析工作。

2.1 提高熱像圖溫度閾值

本試驗所用熱像儀為FLIRA65SC型號，觀測范圍310 mm×310 mm，波長范圍7.5～13.5 μm：分辨率640×480像素，執靈敏度0.03 ℃，如圖1所示。

選取某電源模塊，按手冊要求施加工作電壓使其處于工作狀態，可觀察，加電后模塊內部元器件升溫，熱場迅速擴散，從而影響到相鄰元器件的狀態，從熱像圖中難以識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，首先對良品模塊內部左側片狀區域的平均溫度進行測量，在對失效品進行成像時，將此溫度設置為熱像圖溫度顯示基準值，經數據采集軟件降噪處理，當存在高于發溫度的異常熱點時更易于識別和定位。由圖2可見，提高熱像圖溫度閾值后，模塊內部元器件位置及發熱情況基本可辨別，但右下區域仍存在片狀發熱區域，辨識度差。

2.2 半導體制冷器降溫

通過調研可知，背景環境對熱輻射測量精度有影響，環境溫度越低，影響越小。同時降低背景溫度有利于減緩器件加熱狀態下熱擴散的速度，改善紅外熱像圖質量。本文從操作可實施性考慮，選取半導體制冷器用于器件降溫，其主要原理是利用半導體材料的Peltier效應，當對其施加直流電時，兩種不同半導體材料排列組成熱電偶對，可以實現一面制冷、一面制熱的目的。該制冷器根據室內的環境溫度不同，最低制冷溫度-10 ℃，臺面降溫效果如圖3所示。

圖1 紅外熱像儀

將電源模塊放置于半導體制冷臺上，降溫處理后，右下區域發熱量較大的元器件熱場擴散得到控制，可以顯易的分辨模塊內部各位置元器件類別，同時各元器件發熱情況對比更清晰，紅外熱像圖襯度明顯提升，從而有助于捕捉到模塊內部異常熱點，如圖4所示。

2.3 合理的電激勵方式

由于內部失效點往往不是溫度最高的點，也不一定是溫升速度最快的點。所以在采用紅外熱像儀進行失效定位時，由于模塊內某些元器件溫升速度過快，其紅外輻射可能會影響到真正失效器件的紅外輻射，尤其是長時間工作狀態下測試時更明顯。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條件。對于引腳間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，防止元器件在直流電應力條件下溫升過高，熱場擴散過快，對于引腳間Ⅰ-V特性存在明顯差異，尤其是出現短路、阻性等情況時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的內部器件處于通電狀態，利于查找內部失效點。以某電源模塊為例，在施加工作電壓時內部功率管發熱最嚴重，影響相鄰元器件熱場，而在禁止端與地之間施加電壓時，內部功率管處于非工作狀態，減小了非失效相關器件的熱場影響，對比圖如圖5白色圓圈所示。

圖2 電源模塊閾值改善效果

圖3 半導體制冷器

圖4 電源模塊降溫前后熱像圖改善效果

3 應用案例

3.1 數字隔離器失效定位

某數字隔離器測試功能失效，采用紅外熱像儀對失效點進行初步定位。首先對器件施加工作電壓，使其處于工作狀態，獲取器件紅外熱像圖，其中左側為良品，右側為失效品。由圖6（a）可知失效隔離器溫度比良品器件略高，但此時熱像圖像襯度較低，成像效果較差。

通過數據采集軟件測量得出：左側正常器件的平均溫度約28.5 ℃，為降低環境因素的影響，將正常器件平均溫度設置為最低閾值，以此為熱像圖起始溫度經軟件圖像降噪處理，當器件溫度高于該溫度時，提示器件存在異常發熱情況。由圖6（b）可知，閾值改善后可從圖像中快速找出異常器件。

由于器件熱傳遞速度較快，通過提高溫度閾值改善后的熱像圖仍表現為均勻的片狀發熱，發熱面積約1 mm×1 mm，定位效果仍然較差。采用半導體制冷降溫后，器件熱像圖明顯得到改善，表現為點狀發熱，發熱面積約0.2 mm× 0.2 mm左右，將器件異常發熱面積縮小80 %以上，提升了器件失效定位的精度，有利于器件開封后內部缺陷的觀察和定位，如圖7所示。

3.2 28 V電源模塊失效定位

據委托方描述，某28 V電源模塊在工作時輸出電壓15 V，但帶載能力下降。測試器件引腳間I-V曲線與參考件對比無明顯差異。去除器件表面封裝后，經顯微鏡觀察：器件內部元器件及芯片表面、鍵合引線均無明顯異常。采用紅外熱像儀觀察芯片表面溫度分布情況，經閾值調整和降溫改善后，從熱像圖中可顯易的發現該模塊內部2只貼片電阻在加電后溫度異常，其中1只電阻局部邊緣發熱，另外1只電阻加電前后溫度無變化，無發熱情況，表明該電阻無功耗。而參考件2只電阻均均勻發熱，工作狀態下溫升約2 ℃左右，據此推斷該模塊內部2只電阻失效。將兩只電阻拆解后，測試得出：1#電阻阻值變大約300 Ω，2#電阻（光標2）開路失效，2只電阻正常阻值為30 Ω，失效定位準確。

圖5 不同電激勵條件下熱像圖分布

圖6 閾值調整改善效果

圖7 數字隔離器降溫改善效果對比

3.3 12 V電源模塊失效定位

某12 V電源模塊輸入電壓:6～12 V；輸出電壓:3.3 V/5.0 V，電流800 mA。經測量該模塊電源、地之間Ⅰ-V曲線由二極管特性變為短路特性。

采用光學顯微鏡將該電源模塊置于顯微鏡下觀察，各元器件表面均未見明顯異常。在電源與地之間施加電壓，采用紅外熱成像定位系統對該電源模塊進行失效定位，與良品進行對比觀察，經圖像改善后可見失效模塊右上部位存在異常發熱區域，該位置為AMS 1117-5.0V穩壓器，如圖9所示。采用Ⅰ-V曲線測試儀對該器件所有引腳與電源、地之間的V曲線進行測試，發現電源、地之間Ⅰ-V特性表現為短路特性，定位準確。

圖8 電源模塊失效定位

圖9 12 V電源模塊故障定位

4 結論

紅外熱成像失效定位技術作為一種無損檢測手段對微電路模塊的失效定位起著重要的作用，但是失效定位的效果受樣品失效模式、外界環境等多種因素的影響，時常無法有效定位。本文從紅外熱成像測溫精度影響因素出發，基于失效定位實踐經驗，總結出熱像圖及失效定位效果的改善方法和思路，有效提升了失效定位效率，供失效分析人員在開展微電路及小型組件的失效分析任務時借鑒和參考，指導分析工作。