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(fā)展，電子裝備在現(xiàn)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(shè)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(gòu)成電子裝備的基本單元。電氣產(chǎn)品在航空航海等領(lǐng)域中的使用，因其環(huán)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(guān)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(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，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。

1紅外熱像儀原理和優(yōu)點(diǎn)

溫度高于絕對零度（-273℃）的任何物體，其原子、分子都在不斷地?zé)徇\(yùn)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(qiáng)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(guān)系十分密切，所以，通過對物體紅外輻射的測量，能準(zhǔn)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(xué)系統(tǒng)的限制，其光學(xué)分辨率較小，只有單點(diǎn)測量功能，測量的是一個較小圓形區(qū)域內(nèi)的平均溫度，無法實(shí)現(xiàn)大面積的整體測溫，這樣就會造成較小溫度異常點(diǎn)的漏檢，存在安全隱患。而紅外熱像儀能夠捕獲測量區(qū)域內(nèi)一個面的整體溫度分布，實(shí)時產(chǎn)生紅外熱像圖，快速發(fā)現(xiàn)高溫、低溫點(diǎn)，并對熱像圖進(jìn)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(jiān)視器和光學(xué)成像系統(tǒng)等組成，可將肉眼不可見的紅外輻射轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換產(chǎn)生電信號，經(jīng)放大處理后再轉(zhuǎn)換成我們能在監(jiān)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(yīng)，實(shí)質(zhì)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(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測中有著無比的優(yōu)越性，具有帶電非接觸檢測、掃描范圍廣、檢測距離遠(yuǎn)、檢測精度高且快速直觀等優(yōu)點(diǎn)，其中部分優(yōu)點(diǎn)是預(yù)防性試驗(yàn)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(shè)備，包括電機(jī)、變壓器、斷路器、隔離開關(guān)、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(shè)備表面溫度及溫度場的檢測，在故障發(fā)生初期及時發(fā)現(xiàn)問題，提高設(shè)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(yàn)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(zhí)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(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，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)時更易于識別和定位。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，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℃。將電源模塊放置于半導(dǎo)體制冷臺上，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)。

2.3合理的電激勵方式

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，由于模塊內(nèi)某些元器件溫升速度過快，其紅外輻射可能會影響到真正失效器件的紅外輻射，尤其是長時間工作狀態(tài)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(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，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。

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(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，提示器件存在異常發(fā)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(xiàn)為均勻的片狀發(fā)熱，發(fā)熱面積約1mm×1mm，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0.2mm×0.2mm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。

結(jié)語

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)時借鑒和參考，指導(dǎo)分析工作。

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1.杭州圖譜電力技術(shù)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