基于紅外熱像儀的微電路模塊失效定位方法

周新 江慶歡 沈林祥 石安安

摘要：隨著科技的發展，電子裝備在現代高科技武器裝備中所起到的作用越來越重要。武器裝備在對電子設備提出小型化要求的同時，對其信息容量的需求也迅速增長。小型化、高集成度的微型元器件、組件、微電路模塊已構成電子裝備的基本單元。電氣產品在航空航海等領域中的使用，因其環境特殊性，對器件也提出了更高的使用要求，例如更寬的耐高低溫范圍，以及耐壓、耐潮濕、抗腐蝕性等。

關鍵詞：紅外熱像儀;微電路模塊;失效定位方法

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。

1紅外熱像儀原理和優點

溫度高于絕對零度（-273℃）的任何物體，其原子、分子都在不斷地熱運動，并以電磁波的形式向周圍空間輻射能量，稱之為熱輻射。物體的溫度在1000℃以下時，熱輻射最強的是紅外輻射。物體的紅外輻射能量大小與它的表面溫度關系十分密切，所以，通過對物體紅外輻射的測量，能準確地測出物體表面的溫度和溫度場分布。紅外測溫儀器主要有紅外熱像儀、紅外熱電視和紅外測溫儀。普通的紅外測溫儀受光學系統的限制，其光學分辨率較小，只有單點測量功能，測量的是一個較小圓形區域內的平均溫度，無法實現大面積的整體測溫，這樣就會造成較小溫度異常點的漏檢，存在安全隱患。而紅外熱像儀能夠捕獲測量區域內一個面的整體溫度分布，實時產生紅外熱像圖，快速發現高溫、低溫點，并對熱像圖進行存儲和注釋，從而避免漏檢。紅外熱像儀由紅外探測器、信號處理器、監視器和光學成像系統等組成，可將肉眼不可見的紅外輻射轉換成可見的紅外熱像圖。探測器接受被測物體的紅外輻射能量，轉換產生電信號，經放大處理后再轉換成我們能在監視器上看到的紅外熱像圖。該熱像圖與物體表面的熱分布場相對應，實質上是被測物體紅外輻射的熱像分布圖。紅外成像測溫在電力設備運行狀態檢測中有著無比的優越性，具有帶電非接觸檢測、掃描范圍廣、檢測距離遠、檢測精度高且快速直觀等優點，其中部分優點是預防性試驗所不具備的。紅外熱像儀適用于具有電流、電壓致熱型的各電壓等級設備，包括電機、變壓器、斷路器、隔離開關、互感器、套管、避雷器、電力電纜、母線、絕緣子、低壓電器及二次回路等。通過對電氣設備表面溫度及溫度場的檢測，在故障發生初期及時發現問題，提高設備可靠性。

2基于紅外熱像儀的微電路模塊失效定位方法

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310mm×310mm，波長范圍7.5～13.5μm：分辨率640×480像素，執靈敏度0.03℃。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。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℃。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。

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。

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1（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1（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1mm×1mm，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0.2mm×0.2mm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。

結語

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。

參考文獻

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1.杭州圖譜電力技術有限公司，浙江省 杭州市 310000;2.杭州水堯科技有限公司，浙江省杭州市 310000