基于熱測試技術的電子產(chǎn)品可靠性分析研究

方子敏 王紅濤 劉建南 劉意 高軍

摘? 要：熱測試技術能觀測到產(chǎn)品工作狀態(tài)中的發(fā)熱狀態(tài)，對于提升電子產(chǎn)品可靠性具有重要的作用，特別適用于發(fā)熱電子組件及設備。利用非接觸式熱測試快速定位產(chǎn)品高發(fā)熱區(qū)域，并基于溫度步進式方法對產(chǎn)品進行接觸式熱測試，從而獲取產(chǎn)品高發(fā)熱點準確溫度數(shù)據(jù)。本文以某型光聲光譜檢測儀為例，通過熱測試及分析給出電路板潛在的高發(fā)熱點和耐熱薄弱環(huán)節(jié)，為電路板結構的優(yōu)化及布局提供數(shù)據(jù)支撐，進一步提升產(chǎn)品可靠性。

關鍵詞：熱測試;電子產(chǎn)品;光聲光譜檢測儀;可靠性

中圖分類號：TN405? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）19-0037-04

Abstract：The thermal testing technology can observe the state of heat in the working state of heat in working state of the product and plays an important role in improving the reliability of electronic products. Especially suitable for heating electronic components and equipment. The non-contact thermal test is used to quickly locate the high-heating area of the product，and the contact thermal test is performed on the product based on the temperature step-by-step method，thereby obtaining accurate temperature data of the product with high heat point. This paper takes the a type of photoacoustic spectroscopy as an example，and gives the potentially high heat spots and heat-resistant weak points of the printed circuit board through thermal test and analyses. The potentially high heat spots and heat-resistant weak points provide data support for the optimization and layout of the printed circuit board structure，further improve product reliability.

Keywords：thermal testing;electronic product;photoacoustic spectroscopy;reliability

0? 引? 言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學技術的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品的功能、性能不斷優(yōu)化，提升產(chǎn)品的可靠性成為行業(yè)未來的重要發(fā)展方向，而溫度則是影響電子產(chǎn)品可靠性的一項重要因素[1]。通過對電子產(chǎn)品中核心電路模塊進行熱測試，可以較準確地了解電路模塊中的熱度分布，結合電路模塊上元器件工作溫度范圍信息，分析給出電路模塊潛在的耐熱薄弱環(huán)節(jié)，進而提出熱設計優(yōu)化和電路板結構、布局改進方案。

1? 熱測試的簡介

熱測試是在電子產(chǎn)品的設計調(diào)試或樣機階段對電子產(chǎn)品工作時的溫度進行測量，從而獲取電子產(chǎn)品的實際分布溫度，是獲取電子產(chǎn)品溫度最準確的手段，也是檢驗電子產(chǎn)品傳熱特性的指標是否滿足預期要求的最終手段。[2]

熱測試的主要方法有兩種。方法一是非接觸式熱測試，該方法利用熱輻射原理來測量產(chǎn)品的溫度，被測產(chǎn)品不需要與被測介質(zhì)接觸，其優(yōu)點是操作簡單，且不影響被測器件的溫場;缺點是由于無法準確地判斷器件表面黑度，難以準確地測出器件表面的真實溫度。利用非接觸式熱測試可初步獲取電路板的溫度云圖，常用的非接觸式熱測試設備有熱像儀、紅外測溫儀等。方法二是接觸式熱測試，該方法將測溫傳感器直接與被測物體接觸，將傳感器放置于與被測物體相同的熱平衡狀態(tài)中，使傳感器與被測物體保持同一溫度的測試法，即采取熱電偶對電路板上元器件進行熱測試，獲取器件表面溫度，其優(yōu)點是精度較高，方法可靠，缺點是測溫元件要與被測介質(zhì)接觸進行熱交換，逐步達到熱平衡，因而會產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，常用的接觸式熱測試有熱電偶傳感器法、熱敏電阻傳感器法、集成電路傳感器法等。[3]

2? 樣品選取及簡介

2.1? 樣品選取原則

本文以某型光聲光譜檢測儀電控模塊中主板及電源板為例開展熱測試及熱設計改進分析。樣品選取原則是基于該型光聲光譜檢測儀電控模塊由主板、電源板及連接器組件組成，其中主板實現(xiàn)控制功能，屬于影響產(chǎn)品可靠性的關鍵件，而電源板為電控模塊提供電源，屬于影響產(chǎn)品可靠性的重要件。同時，考慮到主板及電源板為產(chǎn)品主要發(fā)熱模塊，而熱失效是電子產(chǎn)品主要失效形式[4]，電子產(chǎn)品失效有55%是溫度超過電子元器件規(guī)定值而引起的[5]。因此，選取主板和電源板進行熱測試分析，針對其耐熱薄弱環(huán)節(jié)進行改善及優(yōu)化，對于降低該型光聲光譜檢測儀失效率，提升其產(chǎn)品可靠性有重要作用。

2.2? 樣品簡介

某型光聲光譜檢測儀電控模塊主板主要實現(xiàn)控制功能，其核心器件包括驅動芯片、可編程邏輯器和嵌入式芯片，主板實物外觀圖如圖1（a）所示;電源板主要實現(xiàn)電壓調(diào)節(jié)給電壓輸出功能，核心芯片包括PWM控制芯片和三端穩(wěn)壓器，電源板實物外觀圖如圖1（b）所示。主板及電源板核心器件數(shù)量及器件規(guī)格書標稱工作溫度范圍如表1所示。

3? 測試方案

3.1? 方案設計

為全面分析光聲光譜檢測儀主板和電源板熱度分布情況，有針對性地進行優(yōu)化改進，最終實現(xiàn)提高產(chǎn)品可靠性的目的[6]，本次測試方案首先采用紅外熱像儀獲取光聲光譜檢測儀主板及電源板的熱場總體云圖和局部云圖，整體宏觀地觀察各電路板上的發(fā)熱區(qū)域，并為后續(xù)采用溫度數(shù)據(jù)采集器在不同環(huán)境溫度下對發(fā)熱區(qū)域進行精確測試奠定基礎。然后采用接觸式熱電偶和溫度數(shù)據(jù)采集器，分別在常溫、40℃、50℃、60℃及70℃環(huán)境條件下測量高溫元器件的工作溫度，在不同條件下查找光聲光譜檢測儀熱設計缺陷。最后根據(jù)試驗結果提出改進措施并實施改進驗證。圖2給出本次熱測試方案完整流程及設計步驟。

3.2? 熱測試步驟

本次熱測試的具體試驗步驟如下：

（1）在實驗室常溫條件下，采用熱像儀進行非接觸式熱測試，初步獲取各個電路板的溫度云圖，根據(jù)云圖初步分析高溫點，對照高溫點對應位置元器件耐熱范圍，初步確定電控系統(tǒng)潛在高溫風險點;

（2）將電控系統(tǒng)放置在試驗箱中，針對潛在的高溫風險點進一步部署熱電偶，將試驗溫度升至40℃，保持1個小時，采用數(shù)據(jù)采集器進行接觸式溫度測量，精確獲得各個溫度監(jiān)測點的溫度;

（3）進一步將試驗溫度升至50℃，保持1個小時，采用數(shù)據(jù)采集器進行接觸式溫度測量，精確獲得各個溫度監(jiān)測點的溫度;

（4）進一步將試驗溫度升至60℃，保持1個小時，采用數(shù)據(jù)采集器進行接觸式溫度測量，精確獲得各個溫度監(jiān)測點的溫度;

（5）進一步將試驗溫度升至70℃，保持1個小時，采用數(shù)據(jù)采集器進行接觸式溫度測量，精確獲得各個溫度監(jiān)測點的溫度。

從而獲得各個監(jiān)測點在不同高溫環(huán)境下的溫度變化趨勢，為確定電控系統(tǒng)耐熱薄弱環(huán)節(jié)提供詳細數(shù)據(jù)。監(jiān)測點選取主板和電源板上核心器件和發(fā)熱器件。

3.3? 熱測試設備

本次熱測試試驗涉及設備包括熱像儀、數(shù)據(jù)采集器，綜合應力溫濕度箱，其中熱像儀用于非接觸式熱測試，數(shù)據(jù)采集器用于接觸式熱測試，綜合應力溫濕度箱子用于不同溫度下，具體型號及數(shù)量，如表2所示。

4? 測試結果及分析

4.1? 非接觸式熱測試

在常溫（27.9℃）加電工作狀態(tài)下，采用手持式紅外熱成像儀分別監(jiān)測主板和電源模塊的溫度云圖，同時監(jiān)測關鍵熱點的實際溫度。通過紅外熱成像儀獲得的器件主板溫度狀況如圖3（a）所示，電源板溫度狀況溫度云圖如圖3（b）所示。主板各主要器件常溫工作下實測溫度如表3所示，電源板各主要器件常溫工作下實測溫度如表4所示。

通過表3和表4中常溫熱像儀檢測主板及電源板關鍵器件溫度結果可知，各關鍵器件實測溫度均在工作溫度范圍內(nèi)，但電源板中PWM控制芯片UC3843B實測溫度偏高，屬于潛在耐熱薄弱環(huán)節(jié)。

4.2? 接觸式熱測試

采用接觸式熱電偶和溫度數(shù)據(jù)采集器，測試各電路板上發(fā)熱器件分別在環(huán)境溫度40℃、50℃、60℃、70℃下的溫度，溫度應力試驗圖如圖4所示，檢查是否滿足器件自身工作環(huán)境溫度要求，特別關注非接觸測試中潛在耐熱薄弱環(huán)節(jié)。經(jīng)測試，主板及電源板主要器件接觸式檢測結果如表5和表6所示。

通過表3至表6數(shù)據(jù)定量分析可知，主板中各器件在環(huán)境溫度40℃、50℃、60℃、70℃下的器件溫度滿足工作溫度范圍，電源板的PWM控制芯片UC3843B在40℃、50℃、60℃測試中滿足工作溫度范圍（-40～+85℃），但在70℃測試中超出器件工作溫度范圍，需要針對該項耐熱薄弱環(huán)節(jié)進行熱設計改進，從而提升產(chǎn)品可靠性。

5? 改進措施及驗證

5.1? 電源板改進措施

針對電源板的PWM控制芯片UC3843B在70℃工作時超出芯片工作溫度范圍問題，考慮到該芯片散熱面積較小，電路為高壓轉換電路，該器件靠近發(fā)熱源，因此采取以下兩種改進措施：一是將原來的SO封裝更換為DIP封裝，增加器件散熱面積，器件型號變更為UC3843BN;二是對原電路重新布局設計，將該器件遠離高壓發(fā)熱功率器件。電源板改進前后實物如圖5所示，其中方框標注為芯片UC3843B及UC3843BN在板上的位置。

5.2? 電源板改進后驗證

改進后對電源板在40℃、50℃、60℃、70℃下的溫度重新進行接觸式熱測試，回歸測試驗證結果如表7所示，該芯片表面溫度較改進前有所改善，在各溫度下測試均滿足器件工作溫度范圍（-40～+85℃），說明本次改進措施有效。

6? 結? 論

本文以某型光聲光譜檢測儀為例，通過非接觸式及接觸式熱測試的方式對電子產(chǎn)品進行試驗，給出電路板的常溫工作狀態(tài)下的溫度云圖及核心器件在步進式溫度條件下器件表面溫度，結合器件工作溫度范圍進行分析，確定板卡上對熱應力敏感的薄弱元器件，進而有針對性地改進實施和驗證。由此可知，通過有效的熱測試技術可以在樣品設計階段確認電子產(chǎn)品的熱設計能否滿足要求，同時找出耐熱薄弱環(huán)節(jié)以及易發(fā)故障位置，有針對性地進行設計改進，進一步提升電子產(chǎn)品的可靠性。

參考文獻：

[1] 章云峰.電子組件熱分布的測試與分析 [D].鎮(zhèn)江：江蘇大學，2005.

[2] 張敏.熱測試在電子設備研制中的應用 [J].信息技術與標準化，2013（3）：62-65.

[3] 盧錫銘.電子設備熱仿真及熱測試技術研究 [J].艦船電子對抗，2013，36（3）：118-120.

[4] 黃禎光.航天電子儀器熱分析及熱測試研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學，2014.

[5] MOORE.GE. Progress in digital integrated electronics [C]//Electron Devices Meeting，1975 International.S.l.：s.n.，1975：11-13.

[6] 王紅濤，高軍，文武，等.基于ANSYS的電路板組件熱仿真及試驗驗證研究 [J].現(xiàn)代信息科技，2018，2（5）：29-33+35.

作者簡介：方子敏（1990-），男，漢族，廣東廣州人，可靠性工程師，畢業(yè)于華南理工大學，本科，研究方向：電子設備產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性;王紅濤（1990-），男，漢族，山東金鄉(xiāng)人，技術工程師，碩士研究生，研究方向：儀器設備產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性;劉建南（1989-），女，漢族，河南南陽人，質(zhì)量工程師，研究方向：電子產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性;劉意（1973-），男，漢族，重慶人，項目經(jīng)理，畢業(yè)于北京理工大學，本科，研究方向：電子產(chǎn)品質(zhì)量與可靠性。通訊作者：高軍（1978.04-），男，漢族，長沙黃興人，總經(jīng)理，高級工程師，碩士，研究方向：質(zhì)量與可靠性。