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)，半導體器件、印刷電路板和功率器件等電子器件發(fā)揮著(zhù)越來(lái)越重要的作用，在很多領(lǐng)域得到廣泛的應用。這些電子器件的性能直接影響了整個(gè)系統的性能，它們的可靠性起到了很重要的作用。因此，如何有效地檢測和進(jìn)行故障失效分析至關(guān)重要。常規的電路故障檢測耗時(shí)長(cháng)， 需要檢測人員具備較強的專(zhuān)業(yè)技能、而且不能用于高頻電路的實(shí)時(shí)故障檢測。隨著(zhù)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， 常規的檢測手段受到了極大的限制，有時(shí)根本無(wú)法檢測。為了克服常規電路故障檢測方法的不足，人們開(kāi)始嘗試非接觸式的測試方法。而半導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)探測器件的紅外輻射就可以實(shí)時(shí)地探測半導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速度快、精度高、費用低、通用性強、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。

　　國內近幾年開(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。而上面這些系統大多數為望遠工作模式，不適合細微熱分析。目前國內對顯微熱成像技術(shù)及其應用的研究還比較薄弱，尚無(wú)熱成像顯微鏡產(chǎn)品出現，僅有的報道也主要停留在對進(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)行熱分析和熱設計；張奕軒介紹了紅外熱像儀進(jìn)行紅外測溫的原理和應用的意義。

　　而國外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。而這些系統大都采用制冷焦平面探測器，所以國外的顯微熱像儀價(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)際應用需求，但由于價(jià)格因素以及對技術(shù)的認識程度，使顯微熱成像技術(shù)在國內的應用受到極大的限制，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)，但在國內外還沒(méi)有基于非制冷焦平面探測器的顯微熱成像系統的報道�；�于此，本文基于非制冷焦平面探測器設計了一種新型的數字顯微紅外熱像儀，該熱像儀可以獲得長(cháng)波紅外顯微圖像，由此可以滿(mǎn)足電子領(lǐng)域需要顯微熱分析的場(chǎng)合。本文的工作基礎是基于北京理工大學(xué)承擔的北京市自然科學(xué)基金項目自主知識產(chǎn)權專(zhuān)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、系統構成、理論推導分析、非均勻校正和軟件設計等。

　　一切溫度高于絕對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(cháng)。紅外測溫技術(shù)的理論基礎是普朗克分布定律, 它揭示了黑體輻射能量在不同的溫度下按波長(cháng)分布的規律, 其數學(xué)表達式為:

　　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，c₁＝3.7415×10^-12Wcm²；c2為第二輻射常數，c₂＝1.43879cmK；λ為光譜輻射的波長(cháng)，單位μ m；T 為黑體的絕對溫度。

　　焦爾- 楞次定律指出，當電子元件通過(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器探測到。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)探測電子器件。采用這種方法，通過(guò)檢測驗證產(chǎn)品的熱性能，進(jìn)而優(yōu)化產(chǎn)品設計和改造工藝濕度校正儀| ph校正器| 流量計| 熱電偶校準器| 高壓棒| 電子稱(chēng)| 。

　　系統由顯微紅外物鏡、帶測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、顯微熱圖像處理系統、熱顯微鏡支架、升降/ 平移臺及供電電源組成。

　　如圖1 所示，該系統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器組件上，通過(guò)探測器組件將輻射圖像轉換為電子圖像，并按標準視頻輸出；經(jīng)圖像采集卡將標準視頻熱圖像信號采集到計算機中，形成數字圖像；通過(guò)非均勻校正模塊對數字圖像進(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進(jìn)行后續的顯示、分析、存儲和處理。該系統具有實(shí)時(shí)測溫、檢測速度快、精度高、功耗低、體積小、費用低、通用性強、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，節省人力，是傳統檢測方法無(wú)法相比的。

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

　　由于隨著(zhù)顯微物鏡倍率的增加，NA¢ 逐步減小，顯微熱成像系統的NETD和NEED增加。即在大倍率條件下顯微熱成像系統的溫度分辨力將下降。對于非制冷焦平面探測器組件，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)部分提高系統的溫度分辨力。系統主要性能指標如下：

　　物方線(xiàn)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)品將達到15μm；幀頻：50 Hz；探測器：非制冷焦平面微熱型探測器，320 × 240 像素；像元尺寸：45μm × 45μm；波長(cháng)范圍：8 μm ~14 μm；精度：± 2℃；測量模式：實(shí)時(shí)4個(gè)可移動(dòng)點(diǎn)，3個(gè)可移動(dòng)區域（最高溫、最低溫捕捉、平均溫度測量），在線(xiàn)測溫，等溫分析，溫差測量：電源輸入：11 V~14V DC，工作溫度：-40℃~＋40℃。

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

　　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，給后續圖像處理和分析帶來(lái)了困難。圖2右是經(jīng)過(guò)本文設計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比結果圖。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器設計了一種可用于電子器件分析的數字顯微紅外熱像儀。該顯微紅外熱像儀適用于半導體行業(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分析研究，可提高器件及其可靠性設計水平，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器，顯微熱成像屬于放大成像模式，輻射信號將擴大分配到更大的面積，所以系統的探測靈敏度較低。并且儀器的空間分辨率還不能滿(mǎn)足一些場(chǎng)合的要求，所以下一步將在如何提高系統空間和溫度分辨率上進(jìn)行研究。隨著(zhù)系統的優(yōu)化，該系統還可服務(wù)于許多高科技技術(shù)領(lǐng)域如生物醫學(xué)顯微熱成像分析、公安痕跡與物證鑒定、精密零部件設計等領(lǐng)域，來(lái)提高研究和實(shí)驗分析的技術(shù)水平。

 

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