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01.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。

紅外熱像儀通過光學系統(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。當電子產(chǎn)品處于工作狀態(tài)時，若內(nèi)部元器件有電流通過，將產(chǎn)生耗散功率。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。當元器件發(fā)生失效時，其流經(jīng)電流的變化會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)和相關性，當產(chǎn)品內(nèi)部存在功率較大的器件時，其熱輻射能較大，熱場擴散較快，容易影響到其它元器件的工作，遮蓋真正的失效點。

02.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：

故提升熱像儀測溫精度的關鍵在于降低環(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，環(huán)境溫度越高，誤差越大。

綜上所述，在實際應用過程中，降低環(huán)境因素影響，控制內(nèi)部元器件熱場擴散，有利于提升紅外熱像儀失效定位的精度和準確性。

紅外熱像圖改善放方法

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)部芯片局部熱點的探測，兩者原理和技術手段均有區(qū)別。前者更強調(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)部熱場擴散為目的，提供幾種小型模塊及組件熱像圖改善的實踐方法，從而為開展微電路模塊失效定位提供一種思路，指導失效分析工作。

01、提高熱像圖溫度閾值

本試驗所用熱像儀為FLIRA65SC型號，觀測范圍310mmx310mm，波長范圍7.5-13.5μm，分辨率640x480像素，執(zhí)靈敏度0.03℃，如下圖所示。

圖1 紅外熱像儀

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)域的平均溫度進行測量，在對失效品進行成像時，將此溫度設置為熱像圖溫度顯示基準值，經(jīng)數(shù)據(jù)采集軟件降噪處理，當存在高于發(fā)溫度的異常熱點時更易干識別和定位。由下圖可見，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。

   (a)工作狀態(tài)   

 (b)提高圖像閾值后

圖2 電源模塊閾值改善效果

02、半導體制冷器降溫

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)下熱擴散的速度：改善紅外熱像圖質(zhì)量。本文從操作可實施性考慮，選取半導體制冷器用于器件降溫，其主要原理是利用半導體材料的Peltier效應，當對其施加直流電時，兩種不同半導體材料排列組成熱電偶對，可以實現(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℃，臺面降溫效果下圖所示。

(a)制冷前

（b)制冷后

圖3 半導體制冷器

將電源模塊放置于半導體制冷臺上，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，如下圖4所示。

(a)降溫前

(b)降溫后

圖4 電源模塊降溫前后熱像圖改善效果

03、合理的電激勵方式

由于內(nèi)部失效點往往不是溫度最高的點，也不一定是溫升速度最快的點。所以在采用紅外熱像儀進行失效定位時，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力條件下溫升過高，熱場擴散過快，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的內(nèi)部器件處于通電狀態(tài)，利于查找內(nèi)部失效點。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)，減小了非失效相關器件的熱場影響，如下圖白色圓圈所示。

(a)禁止端與地之間加電工作狀態(tài)

(b)端與地之間加點工作狀態(tài)

圖5 不同激勵條件下熱像圖分部

引用本文：

馮慧，尹麗晶，范士海. 基于紅外熱像儀的微電路模塊失效定位方法[J].環(huán)境技術，2020，227(6):119-123.

專家簡介：馮慧，航天科工防御技術研究試驗中心，女，碩士，工程師，主要從事元器件失效分析、結(jié)構(gòu)分析、可靠性評價工作。