红外显微热成像系统研究及应用

岳静静，吴之茂，木二珍，罗 宏，姜 杰，胡志宇



红外显微热成像系统研究及应用

岳静静1,2,3，吴之茂1,2,3，木二珍1,2,3，罗 宏4，姜 杰4，胡志宇1,2,3

（1. 上海交通大学 微米/纳米加工技术国家重点实验室，上海 200240； 2. 上海交通大学 纳微能源研究所，上海 200240；3. 上海交通大学 微纳电子学系，上海 200240； 4. 云南北方驰宏光电有限公司，云南 昆明 650217）

红外显微热成像系统基于红外热成像、红外图像处理和光学显微技术，能够分析微小物体或局部细节的温度变化，具有无损检测、灵敏度高等优点。对红外显微热成像系统的研究背景进行了概括，介绍了它的基本原理和系统组成，总结了红外显微热成像系统的研究现状及其在微电子器件检测、医学诊断、科学实验研究等方面的应用进展，对其存在的问题进行了分析，并且展望了红外显微热成像系统的未来发展趋势。

红外热成像；红外探测器；红外显微热成像系统

0 引言

1800年，赫胥尔通过温度计实验发现了红外辐射的存在。1828年，M. Sweeny发明了第一个辐射温度计。1931年，商用全辐射测温仪问世。19世纪五六十年代后，随着红外探测器技术的迅猛发展，红外热成像产品也开始不断出现。

红外热成像系统能实现非接触式测温，具有测温速度快、灵敏度高、测温范围广、准确度高等优点，在工业设备状态检测[1-3]、医学诊断[4-6]、科学实验研究[7]、国防安全[8-9]等领域都已经得到广泛的应用。但这些红外热成像产品大多为望远系统，在微电子、材料科学等需要分析细微温度变化的场景不再适用。红外显微热成像系统集成了可见光显微镜的显微放大功能和红外热像仪的温度测量功能，可很好地应用于微电子器件的无损检测、微小物体的温度测量等方面。

本文对红外显微热成像系统进行了介绍，列举了国内外部分红外显微热成像产品，并对其在微电子器件检测、医学诊断、科学实验研究等方面的应用进行了总结。

1 红外显微热成像技术简介

1.1 红外辐射基本理论

对于任何温度高于绝对零度的物体，由于其内部带电粒子不停地运动，都会不断自发地向周围辐射包括红外波段在内的电磁波。红外光谱波长约在0.75～1000mm之间，与可见光相比，红外光的波长更长，具有更明显的衍射等效应，更有利于在大气中传播。由于大气对红外辐射的选择性吸收，在大气中红外辐射仅能在1～2.5mm、3～5mm和8～14mm三个波段内有效地传输。红外辐射测温的原理是基于斯特藩-玻尔兹曼定律，该定律指出黑体[10]表面单位面积单位时间内辐射出的总能量*与黑体本身热力学温度的四次方成正比，即[11]：

*＝4(1)

式中：为斯特藩-玻尔兹曼常数。自然界中不存在绝对黑体，引入发射率的概念，就可以将斯特藩-玻尔兹曼定律近似地用于实际物体的计算，即：

*＝4(2)

式中：表示物体的发射率，为物体的辐射度与和该物体具有相同温度的黑体的辐射度之比，与物体表面状态密切相关。

1.2 红外热成像技术

红外热成像技术是利用光电技术检测物体特定波段的红外辐射信号，将该信号转换成可见图像并进一步分析研究的技术。红外探测器是红外热成像技术的核心，当前红外探测器工作波段主要集中在3～5mm和8～14mm两个大气窗口内，图1为红外探测器的发展历史图[12]。根据工作原理的不同，红外探测器可分为光子探测型和热探测型，即制冷型和非制冷型探测器。光子探测器接受红外辐射，材料内部电子能量分布发生变化引起电信号输出，其灵敏度高，但对波长有一定限制，且工作时需要低温冷却。冷却要求使得基于光电子探测器的红外系统体积庞大、成本高，阻碍了其广泛应用。热探测器接受红外辐射后，材料的温度发生变化产生电信号，信号强度取决于辐射功率，与波长无关。与光子探测器比，热探测器灵敏度稍低，但不需要制冷设备。

制冷型探测器发展较早，自20世纪五六十年代出现至今，已经发展到第三代，主要有HgCdTe、InSb光量子型探测器和GaAlAs/GaAs量子阱型探测器。非制冷型红外探测器主要包括热释电型和微测辐射热计型，于1978年首次研究成功，由于其具有启动快、功耗低、体积小、成本低、能够在室温下工作等优点，有更加广阔的应用前景，是未来发展的主要方向。

1.3 红外显微热成像系统组成

红外显微热成像系统是基于红外热成像技术、红外图像处理技术和光学显微技术的系统，其基本结构主要包括红外探测器、红外显微物镜、图像采集卡、软件处理系统、工作台等。

红外显微物镜与红外探测器和工作台相连，待测物体发出的红外辐射信号，经光学系统接收成像于红外探测器组件上，通过探测器将其转换为电模拟信号输出，再经信号处理器接收后进行放大和转换等处理，最后转化为可以被显示处理器接收的视频信号，与监视器连接即可显示待测物体热图像；将输出的模拟信号经过图像采集卡进行A/D转换，传输到计算机中形成数字图像；对数字图像进行非均匀校正、增强等处理，在显示器上显示，并可进一步在软件系统中分析、处理和存储等。

图1 红外探测器发展历史

2 研究现状

近几十年，红外显微热成像技术有了较大的进展。美国在红外热成像产品的研发中一直处于世界领先地位，随着半导体技术的发展和红外技术的广泛应用，英国、法国、德国、日本、中国等也都在扩大资金投入，大力发展红外显微热成像技术。市面上大部分红外显微成像系统采用工作波长范围3～5mm的中波红外探测器，少部分采用波长范围为7～14mm的长波红外探测器，这两种系统各有优劣。中波红外系统的工作波长较短，配合红外镜头设计可以获得较高的空间分辨率，且温度灵敏度和图像捕捉率较高。但在微电子器件领域，由于半导体材料的发射率在长波红外范围内通常较高，且在150℃以下的器件典型温度范围内，发射红外光能量的大部分是在长波红外范围内。因此在半导体器件失效分析过程中，长波相比于中波红外显微热成像系统有明显的优势。

美国EDO/Barns公司是红外探测器、系统以及光电子显微镜领域的先驱，在1963年生产出第一台红外显微热成像产品[13]。该公司先后研制出InfraScope系列I、II、III代红外显微镜，可用于电子元器件等热失效分析。其中第III代产品如图2所示，采用500×500 InSb制冷型红外探测器，像素尺寸为24mm[14-15]。

图2 InfraScope III显微热成像系统

20世纪80年代，美国SPI公司研制出采用320×240 PtSi制冷型焦平面探测器的PD300显微热成像系统，如图3所示，工作波段3.6～5mm，主要用于芯片等微小器件的热分析，查找识别集成电路缺陷等[16-17]。

日本NEC-AVIO公司研制出TVS-8000系列高灵敏度显微热像仪，如图4所示。采用InSb制冷型焦平面探测器，工作波段3～4.8mm，能检测到0.025℃温差[18]，是一台可以实时显示、分析、记录热成像的凝视系统。

日本Jasco公司推出一款具有两种红外成像探测器的IRT-7000型多通道红外显微镜，如图5所示。其内部采用16通道的线阵探测器和单点碲镉汞探测器，实现最高120的放大倍率，分辨率最小达微米。此外还带有自动的样品平台，使得显微镜能够在短时间内对样品的特定区域进行采集和检测，同时还能在软件显示器上观察整个样品的图像[19-20]。

图3 PD300显微热成像系统

图4 TVS-8000显微热像仪

图5 IRT-7000型多通道红外显微镜

美国SFDA研制出如图6所示的半导体器件热失效分析及寿命评估系统，工作波段7～14mm，采用非制冷型红外显微镜，最小空间分辨率达5mm，能够测量半导体器件的表面温度分布并以图形化的方式进行显示，可以有效地检测微尺度半导体电路和MEMS器件的热问题，对器件缺陷快速定位等。

我国对红外热成像产品的研究起步较晚，于20世纪90年代初研制出第一代热成像组件。目前从事红外材料、红外光学镜头等红外产品的生产单位主要有上海技术物理研究所、中国电子科技集团第11所、昆明物理研究所等。国内的红外显微热成像系统研究也较少，目前尚无大批量生产的厂家，国内用户使用的也多为进口产品，价格昂贵，限制了它的推广使用。

2006年，北京理工大学搭建了基于320×240多晶硅非制冷焦平面探测器的红外显微热成像系统样机，如图7所示。采用两倍光学放大，工作波段为8～12mm。2008年又进一步研制出基于光学平板旋转微扫描器的显微热成像系统样机，提升了灵敏度和图像的空间分辨率，可用于电子器件的分析检测等[21]。

图6 半导体器件热失效分析及寿命评估系统

图7 北京理工大学红外显微热成像系统

2013年，上海大学胡志宇教授课题组与云南北方驰宏光电有限公司、上海膺芙光电科技有限公司历经3年，成功研制出了一套红外显微热成像仪，如图8所示。该系统采用北方驰宏公司的YF-1001型非制冷红外相机，敏感光谱为7～14mm、温度敏感度为0.1℃、测温范围为0～300℃、空间分辨率为40mm、最高放大倍率为5倍。该套系统国际首创可自动校准，具有时间温度曲线记录功能、最高温度鼠标跟踪功能、温度变化记录功能、数据系统保存功能和三维温度图像成像功能等，获得了权威机构的科技查新鉴定和认证，在医疗诊断、半导体无损检测、公共安全等领域有巨大的市场空间[22-23]。

图8 上海大学红外显微热成像系统

3 应用进展

随着大规模集成电路的发展，芯片的尺寸越来越小，对其可靠性的要求也更高。红外显微热成像技术测温的准确性和可靠性高，对被测量对象的干扰较小，在IC器件的无损检测、散热管理等方面得到了广泛应用。

Chen等人建立三维有限元模型，借助红外显微热成像系统，提出一种热稳定状态下集成电路封装热性能的表征方法[24]；Alsem等人使用高级红外显微镜监测多晶硅MEMS器件侧壁摩擦部分的温度变化，研究MEMS器件的磨损机制[25]；Li等人利用显微热成像技术测量器件结温以及封装内部的温度分布[26]；Matthew等人介绍了利用显微热成像技术对MEMS器件进行结构分析的机制，通过红外显微热像仪非破坏性地观察密封MEMS器件结构，并识别冲击试验后内部受损部分[27]；Gao Lu等人利用红外显微镜观测PCB和集成芯片工作时温度上升过程，并与ICEPAK软件温度模拟情况进行对比分析，建立模拟温度与实际温度之间的关系[28]；梁法国等利用红外显微热成像技术测试功率器件的结温及其分布，用来分析功率器件可靠性[29]。

此外，红外显微热成像系统还为材料性能、医学诊断、物理化学实验等方面提供辅助分析。

2012年，马来西亚的M. J. Suriani等人利用红外热像仪，使用主动热成像方法检测红麻/环氧树脂复合材料缺陷，结合光学显微镜和SEM验证分析结果，缺陷检测精度达95%[30]。

2013年，韩国的Jae Young Kim等人利用具有AMF发生器的红外显微热成像系统测量磁性纳米颗粒的热性能。该系统具有3倍放大倍率，空间分辨率为5mm。研究结果显示热成像系统能识别特定疾病靶向的磁性纳米粒子，表明显微热成像技术可用于疾病早期的筛查诊断等[31]。

2014年，罗希等人利用胡志宇教授课题组研制的红外显微热像仪评估催化剂图案的性能[32]。在催化燃烧反应过程中，通过红外热像仪监测催化剂表面的温度变化，证明微图案化催化剂表面的均匀温度分布和快速温度响应。同年，陈英等人利用此套系统对催化燃烧进行红外表征，观察薄膜催化剂表面在甲醇低温燃烧过程中的温度变化情况，计算表面温差变化[33]。

2017年，胡志宇教授团队在国际著名期刊Nano Energy上发表研究成果，在硅片上点燃20nm超薄可图形化火。反应器中通入甲醇空气混合气体，在催化剂作用下进行催化燃烧反应，用红外显微热成像系统观测纳米火的温度分布，计算催化剂上下表面温差[34]。

4 总结与展望

红外显微热成像系统同时具有光学显微放大功能和温度测量功能，能够应用于细微热分析。国外对红外显微热成像系统的研究和应用较早，国内的研究较为落后，使用的系统也多为国外进口，价格十分昂贵。由于非制冷红外探测器具有功耗小、成本低、能够在室温下工作等优点，近年来我国在大力发展基于非制冷探测器的显微热成像系统。但非制冷探测器阵列数目有限，加上探测器单元尺寸的限制，图像空间分辨力低，不利于观察图像细节。且由于工作波段的波长限制，系统放大倍数不够。因此未来红外显微热成像系统需要向有更高的空间分辨率，更好的红外图像成像质量，更高的温度测量准确度，更丰富的软件分析功能等方向发展。此外，由于红外图像不能反映物体的真实形貌，将红外图像与其他图像结合分析也是未来的发展趋势。目前国内已有将可见光图像与红外图像结合，研制共光路红外/可见光显微热成像系统的专利[35]。

红外显微热成像技术在MEMS器件可靠性分析、生物医学诊断、科学实验研究等方面有很好的应用前景，我国对显微热成像系统的需求也会不断扩大。国外已经有较为成熟的显微热成像产品，我国在此方面研究起步较晚，因此需要加强投入，研制分辨率更高、结构更简单、成本更低的红外显微热成像系统。

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Research and Applications of Infrared Thermal Microscope Imaging System

YUE Jingjing1,2,3，WU Zhimao1,2,3，MU Erzhen1,2,3，LUO Hong4，JIANG Jie4，HU Zhiyu1,2,3

(1.,,200240,; 2.,,200240,; 3.,,200240,;4.,650217,)

The infrared thermal microscope imaging system is based on technologies of infrared thermal imaging, infrared image processing, and optical microscopy. Such a system can be used to analyze temperature changes of tiny objects or local details, with advantages of non-destructive testing, high sensitivity and so on. The research background of the infrared thermal microscope imaging system is summarized in this article, and the fundamentals and system components are presented. In addition, we summarized the research status of the infrared thermal microscope imaging system and its applications in the field of microelectronic device testing, medical diagnosis, and scientific experiment research. Moreover, the existing problems of the infrared thermal microscope imaging system are analyzed, and its future development trend is forecasted.

infrared thermal imaging，infrared detector，infrared thermal microscope imaging system

TN219

A

1001-8891(2017)11-0973-06

2017-10-25；

2017-11-10.

岳静静（1993-），女，硕士研究生，主要研究方向为图像处理和模式识别。

胡志宇（1965-），男，博士，教授，主要研究方向是纳米量级高效低污染能量转换元器件及其应用、薄膜纳米结构功能材料等。

云南省科技厅省院省校科技合作专项（2014IB007）；国家自然科学基金（5177060654）；云南省胡志宇专家工作站（编号：云科合发[2014]5号）。