基于红外热像仪的微电路模块失效定位方法

周新 江庆欢 沈林祥 石安安

摘要：随着科技的发展，电子装备在现代高科技武器装备中所起到的作用越来越重要。武器装备在对电子设备提出小型化要求的同时，对其信息容量的需求也迅速增长。小型化、高集成度的微型元器件、组件、微电路模块已构成电子装备的基本单元。电气产品在航空航海等领域中的使用，因其环境特殊性，对器件也提出了更高的使用要求，例如更宽的耐高低温范围，以及耐压、耐潮湿、抗腐蚀性等。

关键词：红外热像仪;微电路模块;失效定位方法

引言

失效分析技术在提高电子产品的可靠性方面起着至关重要的作用。小型模块及组件内部失效点的快速定位一直是失效分析中的难题。随着PCB制造工艺和集成电路技术的迅速发展，电路板上元器件越来越密集，传统的故障定位技术已越来越难以满足需求。理论上当混合集成电路或模块处于非正常工作状态下时，其温度分布与正常工作状态存在区别，通过红外热像仪探测板上电子元器件的温度变化可实现失效点定位。但在实际应用中，红外热像图受样品发射率、环境、图像处理等多方面因素影响，定位效果并不理想。

1红外热像仪原理和优点

温度高于绝对零度（-273℃）的任何物体，其原子、分子都在不断地热运动，并以电磁波的形式向周围空间辐射能量，称之为热辐射。物体的温度在1000℃以下时，热辐射最强的是红外辐射。物体的红外辐射能量大小与它的表面温度关系十分密切，所以，通过对物体红外辐射的测量，能准确地测出物体表面的温度和温度场分布。红外测温仪器主要有红外热像仪、红外热电视和红外测温仪。普通的红外测温仪受光学系统的限制，其光学分辨率较小，只有单点测量功能，测量的是一个较小圆形区域内的平均温度，无法实现大面积的整体测温，这样就会造成较小温度异常点的漏检，存在安全隐患。而红外热像仪能够捕获测量区域内一个面的整体温度分布，实时产生红外热像图，快速发现高温、低温点，并对热像图进行存储和注释，从而避免漏检。红外热像仪由红外探测器、信号处理器、监视器和光学成像系统等组成，可将肉眼不可见的红外辐射转换成可见的红外热像图。探测器接受被测物体的红外辐射能量，转换产生电信号，经放大处理后再转换成我们能在监视器上看到的红外热像图。该热像图与物体表面的热分布场相对应，实质上是被测物体红外辐射的热像分布图。红外成像测温在电力设备运行状态检测中有着无比的优越性，具有带电非接触检测、扫描范围广、检测距离远、检测精度高且快速直观等优点，其中部分优点是预防性试验所不具备的。红外热像仪适用于具有电流、电压致热型的各电压等级设备，包括电机、变压器、断路器、隔离开关、互感器、套管、避雷器、电力电缆、母线、绝缘子、低压电器及二次回路等。通过对电气设备表面温度及温度场的检测，在故障发生初期及时发现问题，提高设备可靠性。

2基于红外热像仪的微电路模块失效定位方法

2.1提高热像图温度阈值

本试验所用热像仪为FLIRA65SC型号，观测范围310mm×310mm，波长范围7.5～13.5μm：分辨率640×480像素，执灵敏度0.03℃。选取某电源模块，按手册要求施加工作电压使其处于工作状态，可观察，加电后模块内部元器件升温，热场迅速扩散，从而影响到相邻元器件的状态，从热像图中难以识别和判断具体元器件位置，成像效果较差。为提升红外热像图衬度，首先对良品模块内部左侧片状区域的平均温度进行测量，在对失效品进行成像时，将此温度设置为热像图温度显示基准值，经数据采集软件降噪处理，当存在高于发温度的异常热点时更易于识别和定位。提高热像图温度阈值后，模块内部元器件位置及发热情况基本可辨别，但右下区域仍存在片状发热区域，辨识度差。

2.2半导体制冷器降温

通过调研可知，背景环境对热辐射测量精度有影响，环境温度越低，影响越小。同时降低背景温度有利于减缓器件加热状态下热扩散的速度，改善红外热像图质量。本文从操作可实施性考虑，选取半导体制冷器用于器件降温，其主要原理是利用半导体材料的Peltier效应，当对其施加直流电时，两种不同半导体材料排列组成热电偶对，可以实现一面制冷、一面制热的目的。该制冷器根据室内的环境温度不同，最低制冷温度-10℃。将电源模块放置于半导体制冷台上，降温处理后，右下区域发热量较大的元器件热场扩散得到控制，可以显易的分辨模块内部各位置元器件类别，同时各元器件发热情况对比更清晰，红外热像图衬度明显提升，从而有助于捕捉到模块内部异常热点。

2.3合理的电激励方式

由于内部失效点往往不是温度最高的点，也不一定是温升速度最快的点。所以在采用红外热像仪进行失效定位时，由于模块内某些元器件温升速度过快，其红外辐射可能会影响到真正失效器件的红外辐射，尤其是长时间工作状态下测试时更明显。因此，需要尽量减小这类器件工作的影响。除了采用上述两种手段降低影响外，还可以考虑施加不同的电激励条件。对于引脚间I-V特性无明显异常的失效元器件可以考虑施加脉冲电激励，防止元器件在直流电应力条件下温升过高，热场扩散过快，对于引脚间Ⅰ-V特性存在明显差异，尤其是出现短路、阻性等情况时可以考虑仅在引脚间施加电压，使得仅与端口特性回路相关的内部器件处于通电状态，利于查找内部失效点。以某电源模块为例，在施加工作电压时内部功率管发热最严重，影响相邻元器件热场，而在禁止端与地之间施加电压时，内部功率管处于非工作状态，减小了非失效相关器件的热场影响。

3应用案例

3.1数字隔离器失效定位

某数字隔离器测试功能失效，采用红外热像仪对失效点进行初步定位。首先对器件施加工作电压，使其处于工作状态，获取器件红外热像图，其中左侧为良品，右侧为失效品。由图1（a）可知失效隔离器温度比良品器件略高，但此时热像图像衬度较低，成像效果较差。通过数据采集软件测量得出：左侧正常器件的平均温度约28.5℃，为降低环境因素的影响，将正常器件平均温度设置为最低阈值，以此为热像图起始温度经软件图像降噪处理，当器件温度高于该温度时，提示器件存在异常发热情况。由图1（b）可知，阈值改善后可从图像中快速找出异常器件。由于器件热传递速度较快，通过提高温度阈值改善后的热像图仍表现为均匀的片状发热，发热面积约1mm×1mm，定位效果仍然较差。采用半导体制冷降温后，器件热像图明显得到改善，表现为点状发热，发热面积约0.2mm×0.2mm左右，将器件异常发热面积缩小80%以上，提升了器件失效定位的精度，有利于器件开封后内部缺陷的观察和定位。

结语

红外热成像失效定位技术作为一种无损检测手段对微电路模块的失效定位起着重要的作用，但是失效定位的效果受样品失效模式、外界环境等多种因素的影响，时常无法有效定位。本文从红外热成像测温精度影响因素出发，基于失效定位实践经验，总结出热像图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，供失效分析人员在开展微电路及小型组件的失效分析任务时借鉴和参考，指导分析工作。

参考文献

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1.杭州图谱电力技术有限公司，浙江省 杭州市 310000;2.杭州水尧科技有限公司，浙江省杭州市 310000