电子器件分析用新型显微红外热像仪

 

Abstract: In order to supply the minute thermal analysis for semiconductor, PCB and power device and to complete the failure testing, invalidation analysis, reliability detection. we proposed a novel digital thermal microscope based on the uncooled focal plane detector. We give the operating principle, system construction and the mathematical mode of noise equivalent temperature difference（NETD）. Furthermore we proposed an adaptive nonuniformity correction algorithm and the software based on Visual C++ for the UFPA. Results of real thermal image experiments have shown that the digital thermal microscope is designed successfully. Thus it will improve the development of the electronic manufacturing and application. With the development of the system, the digital thermal microscope can be used in other fields and has a bright prospect.

Key words: electronic device;failure testing;invalidation analysis;reliability detection;thermal microscope

 

　　近年来，半导体器件、印刷电路板和功率器件等电子器件发挥着越来越重要的作用，在很多领域得到广泛的应用。这些电子器件的性能直接影响了整个系统的性能，它们的可靠性起到了很重要的作用。因此，如何有效地检测和进行故障失效分析至关重要。常规的电路故障检测耗时长， 需要检测人员具备较强的专业技能、而且不能用于高频电路的实时故障检测。随着电路板上元器件密度的日益增大，器件间的连接点只有微米级， 常规的检测手段受到了极大的限制，有时根本无法检测。为了克服常规电路故障检测方法的不足，人们开始尝试非接触式的测试方法。而半导体器件的红外热辐射与器件所通过的电流及电流的变化有关。基于此，通过探测器件的红外辐射就可以实时地探测半导体等电子器件的工作情况。由于电路故障的红外热像诊断具有检测速度快、精度高、费用低、通用性强、故障检出率和隔离率高、操作简便的优点， 受到人们的广泛关注， 因而得到了迅速发展。

　　国内近几年开展了一些这方面的工作，如电子科技大学2005年研制的TIO-I电路故障检测仪，它采用红外焦平面阵列IR CCD来完成电子电路的故障检测。而上面这些系统大多数为望远工作模式，不适合细微热分析。目前国内对显微热成像技术及其应用的研究还比较薄弱，尚无热成像显微镜产品出现，仅有的报道也主要停留在对进口热成像显微镜的使用上。例如，电子5所1996年引进美国EDO/BARNES公司的InfraScope显微热像仪；清华大学TVS-5000 进行热分析和热设计；张奕轩介绍了红外热像仪进行红外测温的原理和应用的意义。

　　而国外90 年代就开始推出热成像显微镜。例如PD300显微热像仪、InfraScope系列显微红外热像仪、SPI热显微镜、TVS-8000型显微镜式红外热成像装置等。而这些系统大都采用制冷焦平面探测器，所以国外的显微热像仪价格高，如TVS-8000的价格约为70万元人民币。因此虽然显微热成像技术存在许多实际应用需求，但由于价格因素以及对技术的认识程度，使显微热成像技术在国内的应用受到极大的限制，迫切需要发展显微热成像技术。非制冷焦平面探测器虽然具有较高的性能价格比、无需制冷、使用方便、功耗低、体积小、重量轻、易携带等许多优点，但在国内外还没有基于非制冷焦平面探测器的显微热成像系统的报道。基于此，本文基于非制冷焦平面探测器设计了一种新型的数字显微红外热像仪，该热像仪可以获得长波红外显微图像，由此可以满足电子领域需要显微热分析的场合。本文的工作基础是基于北京理工大学承担的北京市自然科学基金项目自主知识产权专利技术，由北京大立宏源科技有限公司与北京理工大学共同研发的新型红外热成像产品，获得北京市和科技部“中小型创新企业基金”的支持。下面将介绍该显微热像仪的工作原理、系统构成、理论推导分析、非均匀校正和软件设计等。

　　一切温度高于绝对零度的物体都在以电磁波的形式向外辐射能量, 其辐射能包括各种波长。红外测温技术的理论基础是普朗克分布定律, 它揭示了黑体辐射能量在不同的温度下按波长分布的规律, 其数学表达式为:

　　E_{b λ}为黑体光谱辐射能量密度，单位Wcm^-2μm^-1；c₁ 为第一辐射常数，c₁＝3.7415×10^-12Wcm²；c2为第二辐射常数，c₂＝1.43879cmK；λ为光谱辐射的波长，单位μ m；T 为黑体的绝对温度。

　　焦尔- 楞次定律指出，当电子元件通过电流时就要消耗功率，引起元件温度升高，而温度的升高会提高红外辐射量。反过来基于此，这种辐射量的变化可以被红外探测器探测到。这样，电子器件的功率损失就与其红外辐射能之间建立了一种关系，这种关系就可以用来探测电子器件。采用这种方法，通过检测验证产品的热性能，进而优化产品设计和改造工艺湿度校正仪| ph校正器| 流量计| 热电偶校准器| 高压棒| 电子称| 。

　　系统由显微红外物镜、带测温功能和彩色显示及网络控制功能的非制冷焦平面热成像组件、便携式USB接口的图像采集卡、非均匀校正处理系统、显微热图像处理系统、热显微镜支架、升降/ 平移台及供电电源组成。

　　如图1 所示，该系统的图像采集和处理过程是：电子器件发出的红外辐射图像通过红外显微物镜成像于非制冷焦平面探测器组件上，通过探测器组件将辐射图像转换为电子图像，并按标准视频输出；经图像采集卡将标准视频热图像信号采集到计算机中，形成数字图像；通过非均匀校正模块对数字图像进行非均匀校正处理，并可进一步由显微热图像处理系统进行后续的显示、分析、存储和处理。该系统具有实时测温、检测速度快、精度高、功耗低、体积小、费用低、通用性强、缺陷及故障诊断率高、操作简便等特点，可大大缩短缺陷及故障诊断时间，节省人力，是传统检测方法无法相比的。

　　根据显微成像特点、热辐射定律以及探测器的性能，研究了显微热成像理论，分析显微热成像系统的噪声等效温差(NETD)和噪声等效辐射率差(NEED)模型。显微热成像系统的噪声等效温差普遍表达式为：

　　由于随着显微物镜倍率的增加，NA¢ 逐步减小，显微热成像系统的NETD和NEED增加。即在大倍率条件下显微热成像系统的温度分辨力将下降。对于非制冷焦平面探测器组件，在较大倍率下显微热成像时，可通过帧叠加的方式来部分提高系统的温度分辨力。系统主要性能指标如下：

　　物方线视场φ：9 mm；焦距：66mm；热灵敏度：<0.129℃（@30℃，2 ×放大显微物镜）；空间分辨率：第一代产品为25μm，第二代产品将达到15μm；帧频：50 Hz；探测器：非制冷焦平面微热型探测器，320 × 240 像素；像元尺寸：45μm × 45μm；波长范围：8 μm ~14 μm；精度：± 2℃；测量模式：实时4个可移动点，3个可移动区域（最高温、最低温捕捉、平均温度测量），在线测温，等温分析，温差测量：电源输入：11 V~14V DC，工作温度：-40℃~＋40℃。

　　非制冷焦平面探测器存在非均匀性问题。非均匀性在输出图像中将形成网格、曲线斑纹、亮度失衡等固定图案噪声，会对观察者观察图像产生强烈的视觉干扰。为了解决上述问题，本文研究实现了基于场景的自适应非均匀校正技术，同时基于Windows操作平台, 利用VC++开发了显微热成像采集与处理软件系统、非均匀校正处理模块系统。

　　通过本显微红外热像仪采集的人民币一角硬币显微热图和经过非均匀校正后的图像如图2 所示。图2 左是人民币一角硬币的原始显微热图像。可见图像存在明显的竖值条纹，给后续图像处理和分析带来了困难。图2右是经过本文设计的非均匀校正算法校正后的图像，可见校正后消除了由于固有的非均匀性带来的噪声条纹，图像质量得到明显提高。图3是LED电路的可见光照片和红外图像对比结果图。由图3 可见，在显微红外图像中央清晰可见的双S形状的图案在可见光照片中无法看到，而且我们用肉眼也无法看到。

　　本文基于非制冷焦平面探测器设计了一种可用于电子器件分析的数字显微红外热像仪。该显微红外热像仪适用于半导体行业微电子器件、功率器件、印刷电路板、集成芯片、尖端电子器件的检测分析研究，可提高器件及其可靠性设计水平，保证微电子和光电子器件及其产品的性能和质量。由于采用非制冷焦平面探测器，显微热成像属于放大成像模式，辐射信号将扩大分配到更大的面积，所以系统的探测灵敏度较低。并且仪器的空间分辨率还不能满足一些场合的要求，所以下一步将在如何提高系统空间和温度分辨率上进行研究。随着系统的优化，该系统还可服务于许多高科技技术领域如生物医学显微热成像分析、公安痕迹与物证鉴定、精密零部件设计等领域，来提高研究和实验分析的技术水平。

 

［1］F.N.Sevhi,B.S.Perlman, J.m. Cusack. Computer controlled infrared m- microscope for thermal analysis of microwave transistors[M].David Sar Sarnoff  Research Center Route 1,Princeton,New Jersey.

［2］王格芳，陈国顺，孟亚峰，等. 基于红外热成像的集成电路检测与诊断[J]. 1999,25（5）:34-37.

［3］Ming Wu, Julie Cook, Rich DeVito, et al. Novel Low-Cost Uncooled Infrared Camera[M].Proc. of SPIE Vol. 5783(SPIE, Bellingham, WA), 2005. 271-350.

［4］张永萍，李景飞，赵希. 电子故障红外检测研究[ J ] .中国表面工程，2001,19（5）:121-122.

［5］张奕轩, 孔学东.提高 InfraScopeII 红外热像仪测温精确性探讨[M].电子产品与可靠性试验, 2006,24（5）:43-47.

［6］陈水桥, 陈洪山, 张训生.红外热成像法研究电路板热分布特性[ J ] .物理实验，2003，21 （6）:8-11.

［7］杨先明，叶玉堂，方亮，等. 红外电路故障检测系统[J ].红外与激光工程，2006，35（3）:262-266.

［8］张永萍，李景飞，赵 希.电子故障红外检测研究[ J ] .中国表面工程，200 6，19 （5）:12 1-12 2.

［9］高美静，金伟其，王霞，等. 显微热成像系统噪声等效温差和噪声等效辐射率差模型及其分析[J].北京理工大学学报，2007，27(1):50-54.