01.红外热像仪测温原理

任何温度比绝对零度（-273℃）高的物体，均会有产生热辐射；根据物体的温度不同，其辐射产生的能量和波长也会不同。由玻耳兹曼定律可知，红外热辐射的功率与其绝对温度的四次方成正比，即W=εσT4。

红外热像仪通过光学系统将探测物体的红外热辐射光谱反映到CMOS光电探测器阵列，由光电探测器阵列转换成电信号，经信号放大及图像处理形成可视觉分辨的红外热像图。当电子产品处于工作状态时，若内部元器件有电流通过，将产生耗散功率。由于热辐射作用，不同功率的元器件，其表面的温度也各不相同。当元器件发生失效时，其流经电流的变化会引起表面温度的变化。通过探测失效产品表面红外热辐射，并与良品呈现的红外热像图进行对比，理论上可以判定内部失效元器件的位置。但是，由于产品内部元器件具有互联和相关性，当产品内部存在功率较大的器件时，其热辐射能较大，热场扩散较快，容易影响到其它元器件的工作，遮盖真正的失效点。

02.测温精度影响因素

根据红外热像仪的测温原理可知，系统显示的温度是依据测量辐射能计算得出的。故温度测量精度受多种因素的影响，包括物体表面的发射率、反射率，室内环境温度、测量距离等。红外热像仪接收的表面辐射主要来自于被测物体辐射、环境辐射和大气辐射三部分，即：

故提升热像仪测温精度的关键在于降低环境反射和大气辐射两部分的影响，使其接收到的辐射更接近物体本身发出的辐射。而其中环境反射的影响主要与环境温度有关，环境温度越高，误差越大。

综上所述，在实际应用过程中，降低环境因素影响，控制内部元器件热场扩散，有利于提升红外热像仪失效定位的精度和准确性。

红外热像图改善放方法

小型模块失效定位与单片集成电路失效定位需求不同，其失效定位目的主要在于快速准确定位出内部失效的元件或器件，单片集成电路失效定位主要用于内部芯片局部热点的探测，两者原理和技术手段均有区别。前者更强调热像仪具有大视野范围，便于整体观察，其分辨率和定位精度相对差，而后者强调高精度、灵敏度，其视野范围必然较小。本文主要是针对板级红外热像仪，以降低环境温度影响以及减缓内部热场扩散为目的，提供几种小型模块及组件热像图改善的实践方法，从而为开展微电路模块失效定位提供一种思路，指导失效分析工作。

01、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310mmx310mm，波长范围7.5-13.5μm，分辨率640x480像素，执灵敏度0.03℃，如下图所示。

图1 红外热像仪

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干识别和定位。由下图可见，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。

   (a)工作状态   

 (b)提高图像阈值后

图2 电源模块阈值改善效果

02、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℃，台面降温效果下图所示。

(a)制冷前

（b)制冷后

图3 半导体制冷器

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，如下图4所示。

(a)降温前

(b)降温后

图4 电源模块降温前后热像图改善效果

03、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，如下图白色圆圈所示。

(a)禁止端与地之间加电工作状态

(b)端与地之间加点工作状态

图5 不同激励条件下热像图分部

引用本文：

冯慧，尹丽晶，范士海. 基于红外热像仪的微电路模块失效定位方法[J].环境技术，2020，227(6):119-123.

专家简介：冯慧，航天科工防御技术研究试验中心，女，硕士，工程师，主要从事元器件失效分析、结构分析、可靠性评价工作。