電子器件分析用新型顯微紅外熱像儀

 

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

 

　　近年來(lái)，半導(dǎo)體器件、印刷電路板和功率器件等電子器件發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，在很多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。這些電子器件的性能直接影響了整個(gè)系統(tǒng)的性能，它們的可靠性起到了很重要的作用。因此，如何有效地檢測(cè)和進(jìn)行故障失效分析至關(guān)重要。常規(guī)的電路故障檢測(cè)耗時(shí)長(zhǎng)， 需要檢測(cè)人員具備較強(qiáng)的專業(yè)技能、而且不能用于高頻電路的實(shí)時(shí)故障檢測(cè)。隨著電路板上元器件密度的日益增大，器件間的連接點(diǎn)只有微米級(jí)， 常規(guī)的檢測(cè)手段受到了極大的限制，有時(shí)根本無(wú)法檢測(cè)。為了克服常規(guī)電路故障檢測(cè)方法的不足，人們開(kāi)始嘗試非接觸式的測(cè)試方法。而半導(dǎo)體器件的紅外熱輻射與器件所通過(guò)的電流及電流的變化有關(guān)�；�于此，通過(guò)探測(cè)器件的紅外輻射就可以實(shí)時(shí)地探測(cè)半導(dǎo)體等電子器件的工作情況。由于電路故障的紅外熱像診斷具有檢測(cè)速度快、精度高、費(fèi)用低、通用性強(qiáng)、故障檢出率和隔離率高、操作簡(jiǎn)便的優(yōu)點(diǎn)， 受到人們的廣泛關(guān)注， 因而得到了迅速發(fā)展。

　　國(guó)內(nèi)近幾年開(kāi)展了一些這方面的工作，如電子科技大學(xué)2005年研制的TIO-I電路故障檢測(cè)儀，它采用紅外焦平面陣列IR CCD來(lái)完成電子電路的故障檢測(cè)。而上面這些系統(tǒng)大多數(shù)為望遠(yuǎn)工作模式，不適合細(xì)微熱分析。目前國(guó)內(nèi)對(duì)顯微熱成像技術(shù)及其應(yīng)用的研究還比較薄弱，尚無(wú)熱成像顯微鏡產(chǎn)品出現(xiàn)，僅有的報(bào)道也主要停留在對(duì)進(jìn)口熱成像顯微鏡的使用上。例如，電子5所1996年引進(jìn)美國(guó)EDO/BARNES公司的InfraScope顯微熱像儀；清華大學(xué)TVS-5000 進(jìn)行熱分析和熱設(shè)計(jì)；張奕軒介紹了紅外熱像儀進(jìn)行紅外測(cè)溫的原理和應(yīng)用的意義。

　　而國(guó)外90 年代就開(kāi)始推出熱成像顯微鏡。例如PD300顯微熱像儀、InfraScope系列顯微紅外熱像儀、SPI熱顯微鏡、TVS-8000型顯微鏡式紅外熱成像裝置等。而這些系統(tǒng)大都采用制冷焦平面探測(cè)器，所以國(guó)外的顯微熱像儀價(jià)格高，如TVS-8000的價(jià)格約為70萬(wàn)元人民幣。因此雖然顯微熱成像技術(shù)存在許多實(shí)際應(yīng)用需求，但由于價(jià)格因素以及對(duì)技術(shù)的認(rèn)識(shí)程度，使顯微熱成像技術(shù)在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用受到極大的限制，迫切需要發(fā)展顯微熱成像技術(shù)。非制冷焦平面探測(cè)器雖然具有較高的性能價(jià)格比、無(wú)需制冷、使用方便、功耗低、體積小、重量輕、易攜帶等許多優(yōu)點(diǎn)，但在國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有基于非制冷焦平面探測(cè)器的顯微熱成像系統(tǒng)的報(bào)道。基于此，本文基于非制冷焦平面探測(cè)器設(shè)計(jì)了一種新型的數(shù)字顯微紅外熱像儀，該熱像儀可以獲得長(zhǎng)波紅外顯微圖像，由此可以滿足電子領(lǐng)域需要顯微熱分析的場(chǎng)合。本文的工作基礎(chǔ)是基于北京理工大學(xué)承擔(dān)的北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)專利技術(shù)，由北京大立宏源科技有限公司與北京理工大學(xué)共同研發(fā)的新型紅外熱成像產(chǎn)品，獲得北京市和科技部“中小型創(chuàng)新企業(yè)基金”的支持。下面將介紹該顯微熱像儀的工作原理、系統(tǒng)構(gòu)成、理論推導(dǎo)分析、非均勻校正和軟件設(shè)計(jì)等。

　　一切溫度高于絕對(duì)零度的物體都在以電磁波的形式向外輻射能量, 其輻射能包括各種波長(zhǎng)。紅外測(cè)溫技術(shù)的理論基礎(chǔ)是普朗克分布定律, 它揭示了黑體輻射能量在不同的溫度下按波長(zhǎng)分布的規(guī)律, 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

　　E_{b λ}為黑體光譜輻射能量密度，單位Wcm^-2μm^-1；c₁ 為第一輻射常數(shù)，c₁＝3.7415×10^-12Wcm²；c2為第二輻射常數(shù)，c₂＝1.43879cmK；λ為光譜輻射的波長(zhǎng)，單位μ m；T 為黑體的絕對(duì)溫度。

　　焦?fàn)? 楞次定律指出，當(dāng)電子元件通過(guò)電流時(shí)就要消耗功率，引起元件溫度升高，而溫度的升高會(huì)提高紅外輻射量。反過(guò)來(lái)基于此，這種輻射量的變化可以被紅外探測(cè)器探測(cè)到。這樣，電子器件的功率損失就與其紅外輻射能之間建立了一種關(guān)系，這種關(guān)系就可以用來(lái)探測(cè)電子器件。采用這種方法，通過(guò)檢測(cè)驗(yàn)證產(chǎn)品的熱性能，進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)和改造工藝濕度校正儀| ph校正器| 流量計(jì)| 熱電偶校準(zhǔn)器| 高壓棒| 電子稱| 。

　　系統(tǒng)由顯微紅外物鏡、帶測(cè)溫功能和彩色顯示及網(wǎng)絡(luò)控制功能的非制冷焦平面熱成像組件、便攜式USB接口的圖像采集卡、非均勻校正處理系統(tǒng)、顯微熱圖像處理系統(tǒng)、熱顯微鏡支架、升降/ 平移臺(tái)及供電電源組成。

　　如圖1 所示，該系統(tǒng)的圖像采集和處理過(guò)程是：電子器件發(fā)出的紅外輻射圖像通過(guò)紅外顯微物鏡成像于非制冷焦平面探測(cè)器組件上，通過(guò)探測(cè)器組件將輻射圖像轉(zhuǎn)換為電子圖像，并按標(biāo)準(zhǔn)視頻輸出；經(jīng)圖像采集卡將標(biāo)準(zhǔn)視頻熱圖像信號(hào)采集到計(jì)算機(jī)中，形成數(shù)字圖像；通過(guò)非均勻校正模塊對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行非均勻校正處理，并可進(jìn)一步由顯微熱圖像處理系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)的顯示、分析、存儲(chǔ)和處理。該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)測(cè)溫、檢測(cè)速度快、精度高、功耗低、體積小、費(fèi)用低、通用性強(qiáng)、缺陷及故障診斷率高、操作簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，可大大縮短缺陷及故障診斷時(shí)間，節(jié)省人力，是傳統(tǒng)檢測(cè)方法無(wú)法相比的。

　　根據(jù)顯微成像特點(diǎn)、熱輻射定律以及探測(cè)器的性能，研究了顯微熱成像理論，分析顯微熱成像系統(tǒng)的噪聲等效溫差(NETD)和噪聲等效輻射率差(NEED)模型。顯微熱成像系統(tǒng)的噪聲等效溫差普遍表達(dá)式為：

　　由于隨著顯微物鏡倍率的增加，NA¢ 逐步減小，顯微熱成像系統(tǒng)的NETD和NEED增加。即在大倍率條件下顯微熱成像系統(tǒng)的溫度分辨力將下降。對(duì)于非制冷焦平面探測(cè)器組件，在較大倍率下顯微熱成像時(shí)，可通過(guò)幀疊加的方式來(lái)部分提高系統(tǒng)的溫度分辨力。系統(tǒng)主要性能指標(biāo)如下：

　　物方線視場(chǎng)φ：9 mm；焦距：66mm；熱靈敏度：<0.129℃（@30℃，2 ×放大顯微物鏡）；空間分辨率：第一代產(chǎn)品為25μm，第二代產(chǎn)品將達(dá)到15μm；幀頻：50 Hz；探測(cè)器：非制冷焦平面微熱型探測(cè)器，320 × 240 像素；像元尺寸：45μm × 45μm；波長(zhǎng)范圍：8 μm ~14 μm；精度：± 2℃；測(cè)量模式：實(shí)時(shí)4個(gè)可移動(dòng)點(diǎn)，3個(gè)可移動(dòng)區(qū)域（最高溫、最低溫捕捉、平均溫度測(cè)量），在線測(cè)溫，等溫分析，溫差測(cè)量：電源輸入：11 V~14V DC，工作溫度：-40℃~＋40℃。

　　非制冷焦平面探測(cè)器存在非均勻性問(wèn)題。非均勻性在輸出圖像中將形成網(wǎng)格、曲線斑紋、亮度失衡等固定圖案噪聲，會(huì)對(duì)觀察者觀察圖像產(chǎn)生強(qiáng)烈的視覺(jué)干擾。為了解決上述問(wèn)題，本文研究實(shí)現(xiàn)了基于場(chǎng)景的自適應(yīng)非均勻校正技術(shù)，同時(shí)基于Windows操作平臺(tái), 利用VC++開(kāi)發(fā)了顯微熱成像采集與處理軟件系統(tǒng)、非均勻校正處理模塊系統(tǒng)。

　　通過(guò)本顯微紅外熱像儀采集的人民幣一角硬幣顯微熱圖和經(jīng)過(guò)非均勻校正后的圖像如圖2 所示。圖2 左是人民幣一角硬幣的原始顯微熱圖像�？梢�(jiàn)圖像存在明顯的豎值條紋，給后續(xù)圖像處理和分析帶來(lái)了困難。圖2右是經(jīng)過(guò)本文設(shè)計(jì)的非均勻校正算法校正后的圖像，可見(jiàn)校正后消除了由于固有的非均勻性帶來(lái)的噪聲條紋，圖像質(zhì)量得到明顯提高。圖3是LED電路的可見(jiàn)光照片和紅外圖像對(duì)比結(jié)果圖。由圖3 可見(jiàn)，在顯微紅外圖像中央清晰可見(jiàn)的雙S形狀的圖案在可見(jiàn)光照片中無(wú)法看到，而且我們用肉眼也無(wú)法看到。

　　本文基于非制冷焦平面探測(cè)器設(shè)計(jì)了一種可用于電子器件分析的數(shù)字顯微紅外熱像儀。該顯微紅外熱像儀適用于半導(dǎo)體行業(yè)微電子器件、功率器件、印刷電路板、集成芯片、尖端電子器件的檢測(cè)分析研究，可提高器件及其可靠性設(shè)計(jì)水平，保證微電子和光電子器件及其產(chǎn)品的性能和質(zhì)量。由于采用非制冷焦平面探測(cè)器，顯微熱成像屬于放大成像模式，輻射信號(hào)將擴(kuò)大分配到更大的面積，所以系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度較低。并且儀器的空間分辨率還不能滿足一些場(chǎng)合的要求，所以下一步將在如何提高系統(tǒng)空間和溫度分辨率上進(jìn)行研究。隨著系統(tǒng)的優(yōu)化，該系統(tǒng)還可服務(wù)于許多高科技技術(shù)領(lǐng)域如生物醫(yī)學(xué)顯微熱成像分析、公安痕跡與物證鑒定、精密零部件設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，來(lái)提高研究和實(shí)驗(yàn)分析的技術(shù)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，陳國(guó)順，孟亞峰，等. 基于紅外熱成像的集成電路檢測(cè)與診斷[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］張永萍，李景飛，趙希. 電子故障紅外檢測(cè)研究[ J ] .中國(guó)表面工程，2001,19（5）:121-122.

［5］張奕軒, 孔學(xué)東.提高 InfraScopeII 紅外熱像儀測(cè)溫精確性探討[M].電子產(chǎn)品與可靠性試驗(yàn), 2006,24（5）:43-47.

［6］陳水橋, 陳洪山, 張訓(xùn)生.紅外熱成像法研究電路板熱分布特性[ J ] .物理實(shí)驗(yàn)，2003，21 （6）:8-11.

［7］楊先明，葉玉堂，方亮，等. 紅外電路故障檢測(cè)系統(tǒng)[J ].紅外與激光工程，2006，35（3）:262-266.

［8］張永萍，李景飛，趙 希.電子故障紅外檢測(cè)研究[ J ] .中國(guó)表面工程，200 6，19 （5）:12 1-12 2.

［9］高美靜，金偉其，王霞，等. 顯微熱成像系統(tǒng)噪聲等效溫差和噪聲等效輻射率差模型及其分析[J].北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27(1):50-54.