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(shù)研究試驗(yàn)中心，北京 100854； 2.中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050000）

引言

失效分析技術(shù)在提高電子產(chǎn)品的可靠性方面起著至關(guān)重要的作用。小型模塊及組件內(nèi)部失效點(diǎn)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(shù)的迅速發(fā)展，電路板上元器件越來越密集，傳統(tǒng)的故障定位技術(shù)已越來越難以滿足需求。理論上當(dāng)混合集成電路或模塊處于非正常工作狀態(tài)下時(shí)，其溫度分布與正常工作狀態(tài)存在區(qū)別，通過紅外熱像儀探測板上電子元器件的溫度變化可實(shí)現(xiàn)失效點(diǎn)定位。但在實(shí)際應(yīng)用中，紅外熱像圖受樣品發(fā)射率、環(huán)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(diào)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(shí)踐方法，并總結(jié)了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，用于指導(dǎo)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(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溫度的四次方成正比，即W=εσT4[1]。

紅外熱像儀通過光學(xué)系統(tǒng)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(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)信號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[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(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)。

1.2 測溫精度影響因素

根據(jù)紅外熱像儀的測溫原理可知，系統(tǒng)顯示的溫度是依據(jù)測量輻射能計(jì)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(fā)射率、反射率，室內(nèi)環(huán)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(huán)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(fā)射率；

Ebλ—黑體輻射出射度；

Ta—被測物體表面溫度；

Tu—環(huán)境溫度[4]。

故提升熱像儀測溫精度的關(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。

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(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，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。本文主要是針對板級紅外熱像儀，以降低環(huán)境溫度影響以及減緩內(nèi)部熱場擴(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。

2.1 提高熱像圖溫度閾值

本試驗(yàn)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(zhí)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(tài)，可觀察，加電后模塊內(nèi)部元器件升溫，熱場迅速擴(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(nèi)部左側(cè)片狀區(qū)域的平均溫度進(jìn)行測量，在對失效品進(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)更易于識別和定位。由圖2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，辨識度差。

2.2 半導(dǎo)體制冷器降溫

通過調(diào)研可知，背景環(huán)境對熱輻射測量精度有影響，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，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)面降溫效果如圖3所示。

圖1 紅外熱像儀

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)，如圖4所示。

2.3 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，尤其是長時(shí)間工作狀態(tài)下測試時(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，熱場擴(kuò)散過快，對于引腳間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，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(dǎo)體制冷器

圖4 電源模塊降溫前后熱像圖改善效果

3 應(yīng)用案例

3.1 數(shù)字隔離器失效定位

某數(shù)字隔離器測試功能失效，采用紅外熱像儀對失效點(diǎn)進(jìn)行初步定位。首先對器件施加工作電壓，使其處于工作狀態(tài)，獲取器件紅外熱像圖，其中左側(cè)為良品，右側(cè)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(shí)熱像圖像襯度較低，成像效果較差。

通過數(shù)據(jù)采集軟件測量得出：左側(cè)正常器件的平均溫度約28.5 ℃，為降低環(huán)境因素的影響，將正常器件平均溫度設(shè)置為最低閾值，以此為熱像圖起始溫度經(jīng)軟件圖像降噪處理，當(dāng)器件溫度高于該溫度時(shí)，提示器件存在異常發(fā)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(xiàn)為均勻的片狀發(fā)熱，發(fā)熱面積約1 mm×1 mm，定位效果仍然較差。采用半導(dǎo)體制冷降溫后，器件熱像圖明顯得到改善，表現(xiàn)為點(diǎn)狀發(fā)熱，發(fā)熱面積約0.2 mm× 0.2 mm左右，將器件異常發(fā)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(nèi)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(jù)委托方描述，某28 V電源模塊在工作時(shí)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(jīng)顯微鏡觀察：器件內(nèi)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(jīng)閾值調(diào)整和降溫改善后，從熱像圖中可顯易的發(fā)現(xiàn)該模塊內(nèi)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(fā)熱，另外1只電阻加電前后溫度無變化，無發(fā)熱情況，表明該電阻無功耗。而參考件2只電阻均均勻發(fā)熱，工作狀態(tài)下溫升約2 ℃左右，據(jù)此推斷該模塊內(nèi)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(biāo)2）開路失效，2只電阻正常阻值為30 Ω，失效定位準(zhǔn)確。

圖5 不同電激勵(lì)條件下熱像圖分布

圖6 閾值調(diào)整改善效果

圖7 數(shù)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(jīng)測量該模塊電源、地之間Ⅰ-V曲線由二極管特性變?yōu)槎搪诽匦浴?/p>

采用光學(xué)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(tǒng)對該電源模塊進(jìn)行失效定位，與良品進(jìn)行對比觀察，經(jīng)圖像改善后可見失效模塊右上部位存在異常發(fā)熱區(qū)域，該位置為AMS 1117-5.0V穩(wěn)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(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)電源、地之間Ⅰ-V特性表現(xiàn)為短路特性，定位準(zhǔn)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(jié)論

紅外熱成像失效定位技術(shù)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(huán)境等多種因素的影響，時(shí)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(fā)，基于失效定位實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)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(wù)時(shí)借鑒和參考，指導(dǎo)分析工作。