电子器件分析用新型显微红外热像仪探析

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摘要：新型的显微红外热像仪是基于非制冷焦平面探测器设计的，是给印刷电路板、半导体器件以及功率器件等电子器件进行细微热分析，实现电子电路的故障检测、可靠性分析以及失效分析等。文中介绍了该系统的工作原理、构成、工作过程。研究了显微红外热像仪噪音的等效辐射和噪音的等效温差模型，提供了系统设计的理论指导。随着电子器件的产品化，该系统在逐渐会转向需要显微热分析的其他场合，应用前景比较广泛。

关键词：电子器件 检测故障 可靠性分析 失效分析 显微红外热像仪

最近几年，印刷电路板、半导体器件、功率器件等电子器件逐渐发挥着重要的作用，在较多的领域的应用都是比较广泛的。整个系统的性能会受到电子器件性能的影响，由此可见，电子器件的可靠性是非常重要的。因此，怎样确保检测的有效性和故障失效的分析是非常重要的。常规的检测电路故障消耗的时间是比较长的，同时检测人员的专业技能要比较强，且不能用于检测高频电路的实时故障。随着元器件在电路板上的密度逐渐增大，各器件的连接点是纳米级，极大的限制了常规的检测手段，甚至是不能够用常规手段进行检测。人们开始采用非接触式的测试方法进行克服常规检测的不足。经过半导体器件的电流变化能够影响半导体器件的红外辐射，因此探测器件可以利用红外辐射随时的检测电子器件的工作状况。电路故障红外热像诊断的检测精度高、速度快、通用性强、费用低故障的检出率及隔离率高、操作使用较简单，这些优点被人们广泛的关注，促进了其发展速度的增快。

1、显微红外热像仪的测试原理

所有物体的温度大于绝对零度时，都会出现以电磁波的形式对外辐射能量，各种波长也被包括在辐射能量之内。红外测温技术是以普朗克分布定律作为理论基础的，该理论揭示了不同温度下黑体辐射能量的波长分布规律，用公式可以表示为：

Ebλ表示的是黑体光谱能量辐射的密度，单位表示是Wcm-2μm-1；第一辐射常数c1=3.7415×10-12Wcm2；c2则表示第二辐射常数，c2=1.43879cmK；辐射的光谱波长用λ表示，其单位是μm；黑体的绝对温度用T表示。

通过焦耳-楞次定律可以知道，当电流经过电子元件时就会产生功率的消耗，从而使电子元件的温度升高，温度升高会促进红外辐射量的提高。由此可以看出，这种能量辐射的变化能够用红外探测器探测到。红外辐射能和电子器件的损失功率之间就可以通过这种现象建立相关联系，利用这种关系进行电子器件的探测。利用这种方法，实行对产品热性能的检测和验证，提高了产品设计的优化性以及工艺的改造。

2、系统的组成

新型的显微红外热像仪的系统是由显微红外物镜、带测温功能与彩色的显示、非制冷焦平面热成像组件且具有网络控制功能、便携式的USB数据接口的图像采集卡、热显微镜支架、显微热图像处理系统、非均匀校正处理系统、平移/升降台以及供电电源等组成。

这种系统的采集图像和处理图像的过车过程是：利用红外显微物镜对电子器件产生的红外辐射图像在非制冷焦平面探测器组件上进行成像，同时对视频采取标准的输出；图像采集卡能够采集标准的视频热图像信号传送到计算机中，然后形成数字图形；非均匀的校正模块进行非均匀的校正处理数字图像，然后进一步的通过显微热图像处理系统做最后的分析、处理、存储和显示。该系统具有检测速度快、实时测温、功耗低、费用低、精度高、体积小、通用性强、操作简便、故障及缺陷的诊断率高等优点，极大的缩减了诊断故障和缺陷的时间，节省了较多的人力，这种优势用传统的检测方法很难实现的。图为新型的显微红外热像仪拍摄的热图：

3、系统理论研究分析

利用显微成像的特点、探测器的性能以及热辐射定律等研究了显微热成像理论，分对显微热成像系统的噪音等效辐射率差NEED和噪音等效温差NDTD模型进行了分析。噪音等效辐射率差可以表示为：

噪音等效温差可以表示为：

随着显微物镜的倍率的增大，会使NA'减小，显微热成像系统的NEED和NETD逐渐增加。也就是说显微热成像系统在大倍率条件下的温度分辨率会下降。较大倍率的显微热成像时，对于非制冷焦平面探测器组件而言，可以利用帧叠加的方式提高系统的部分温度分辨率。系统工作性能的主要指标是：

焦距为66毫米；物方线视场?=9毫米；热灵敏度一般小于0.129℃；第二代产品的空间分辨率是15微米，第一代产品的空间分辨率是25微米；非制冷焦平面探测器的像素是320×240；波长范围是在8微米到14微米之间；像元尺寸是45μm×45μm；精度为±2℃；帧频是50赫兹；测量模式一般为：实时3个可移动区域包括捕捉最低温度、最高温度、测量平均温度，4个可移动点，在线测温，温差测量，等温分析；工作温度在零下四十摄氏度和零上四十摄氏度之间；输入电源为11V一14VDC。

由于该系统的探测器存在非均匀的问题，这些非均匀问题会在图像的输出过程中形成曲线斑纹、网格、亮度失衡等较为固定的图案噪音，操作者在进行图像观察是会在视觉效果上产生较强的干扰。为了解决这种现象，研究出了基于windows操作系统，以VC++技术研究出了显微热处理软件和成像采集系以及非均匀的校正处理模块。

结束语：

这种新型的显微红外热像仪适合用于半导体行业的功率器件、集成芯片、印刷电路板、微电子器件、尖端电子器件等检测的研究分析，能够提高器件的可靠性设计水平，确保光电子和微电子器件以及相关产品的质量和性能。随着系统的不断优化，该系统还能够为更多的先进技术领域如公安物证与痕迹鉴定、生物医学显微热成像分析、精密零件设计等领域服务，提高实验分析和研究的技术水平。

参考文献：

[1]高美静，金伟其，王海岩.电子器件分析用新型显微红外热像仪[J].电子与封装.2008（4）.

[2]张芳蔡，金燕，朱艳辉.电磁环境中电子器件的失效分析[J].电子器件.2009（2）.