Среди различных методов неразрушающего контроля изделий электронной техники (ИЭТ) метод исследования и прогнозирования работоспособности таких изделий по их тепловому излучению начинает занимать все более значительное место.
Современные ИЭТ представляют собой сложные конструкции, содержащие большое количество компактно размещенных элементов, в которых во время работы выделяется и рассеивается тепловая энергия. Теплопроводность, конвекция и излучение являются теми механизмами, посредством которых тепло передается окружающей среде от элементов ИЭТ, нагретых до температуры более высокой, чем температура среды.
Потери через теплопроводность протекают, в основном, в объемах, заполненных твердым веществом. Эти потери зависят от физического контакта между элементами ИЭТ и платой, на которой они смонтированы. Благодаря теплопроводности от элементов отводится 70...80 % тепловой энергии теплорассеивающих элементов, плотно смонтированных на подложке.
Потери через конвекцию зависят, главным образом, от потока тепловой энергии, передаваемой окружающей среде в непосредственной близости к излучающему элементу, и определяются разностью их температур. Количество теплоты, удаляемое посредством конвекции, зависит от способа охлаждения элемента и может изменяться в широких пределах от нуля (в вакууме) до 90 % (при принудительном потоке холодного воздуха). В условиях свободной конвекции при нормальном атмосферном давлении отвод теплоты за счет конвекции составляет около 15 % общего количества удаленного тепла.
Потери через излучение происходят вследствие превращения части тепловой энергии в лучистую и подчиняются закону Стефана—Больцмана (определяются четвертой степенью абсолютной температуры излучающего элемента и его коэффициентом теплового излучения). Эти потери составляют около 10% общих тепловых потерь.
В реальных условиях нет четкого разделения между отдельными механизмами теплопередачи в ИЭТ, а существует сложное взаимодействие между ними, в результате чего меняются тепловая модель электронного устройства и температура его отдельных компонентов. Теоретический расчет теплового режима ИЭТ является очень сложным, вследствие чего особое значение приобретает неконтактный способ измерения температуры ИЭТ с помощью тепловизоров, который по сравнению с контактными способами, например, с помощью термопар, имеет следующие преимущества:
при использовании тепловизоров или сканирующих ИК радиометров получают информацию о температуре гораздо большего количества точек поверхности ИЭТ, чем это возможно при использовании контактных датчиков температуры, и за значительно меньший промежуток времени;
некоторые измерения можно провести в зонах высокого напряжения и для тех элементов ИЭТ, которые не допускают физического контакта, например, изделия микроэлектроники;
использование неконтактных методов позволяет автоматизировать процессы измерений и вывести их результаты на ЭВМ, получая при этом быструю и непрерывную информацию о состоянии контролируемого изделия.
В современных ИЭТ широко используют многослойные печатные платы; некоторые дефекты их производства (сужение дорожек, частичные разрывы, царапины, микротрещины, отслоения проводников, внутренние короткие замыкания и др.) не могут быть выявлены при обычных испытаниях, но хорошо обнаруживаются на термограммах, снятых тепловизором. При использовании последних в крупносерийном производстве предварительно снимают эталонную термограмму с исправной платы или устройства и с ней сравнивают термограммы всех остальных плат, на основании чего принимается решение о их пригодности для последующего монтажа в изготавливаемой аппаратуре.
Перспективен тепловизионный метод дефектоскопии изделий микроэлектроники, так как для этого класса изделий особенно важны температурные характеристики. В то же время интегральные микросхемы (ИС) относятся к наиболее сложным объектам с точки зрения тепловизионного анализа, так как минимальные размеры их элементов доходят до 5...10 мкм, а минимальная разность температур — до 0,05...0,1 °С. Это вызывает необходимость автоматизации процесса телевизионного контроля и разработки эталона тепловизионного сигнала или эталона теплового поля для бездефектной микросхемы.
Построение эталона теплового поля, соответствующего бездефектному состоянию ИС, можно проводить как на основании теоретических расчетов, так и по результатам статистической обработки большого количества изделий с учетом информации от заказчика об их отказах при эксплуатации. Целесообразно также коррректировать параметры применяемого эталона по мере накопления экспериментальных данных.
Составлены следующие алгоритмы машинной классификации объектов по их эталонным тепловизионным сигналам:
алгоритм 1 — определение коэффициента корреляции между исследуемым и эталонным сигналами;
алгоритм 2 — выявление характерных областей теплопортретов;
алгоритм 3 — принятие решения.
В алгоритме 1 рассчитывают статистические характеристики выборочных значений тепловизионных сигналов исследуемых объектов (средние значения и дисперсии по строкам и по кадру и коэффициент взаимной корреляции между входным и эталонным сигналами).
В алгоритме 2 просматривают все значения амплитуд теплопортретов, сравнивают с заранее выбранным порогом (изотермическим уровнем) и выделяют области, амплитуда которых превышает порог.
Алгоритм 3 осуществляет собственно классификацию объектов на основании поступающего на его вход набора признаков, вырабатываемых алгоритмами 1 и 2.
Качество работы алгоритмов машинной классификации объектов по их тепловизионным сигналам проверено на опытной партии однотипных гибридных интегральных микросхем, состоящих из 64 усилительных каскадов. Проверка показала, что алгоритмы обеспечивают более высокое качество классификации, чем оператор.
Для обнаружения скрытых дефектов электронных и интегральных схем тепловизионная контрольная аппаратура должна обладать высоким разрешением по температуре и пространству. Скорость сканирования желательно иметь переменной: малой для объектов с установившимся тепловым режимом и большой для исследования нестационарных тепловых полей. Юстирующие и фокусирующие устройства должны обеспечивать проведение повторяющихся измерений в идентичных условиях.
Этим требованиям удовлетворяет, в частности, микроскоп-тепловизор AGA-680
(Швеция), предназначенный для определения «горячих точек» в интегральных схемах и других элементах микроэлектроники. В микроскопе можно использовать три сменных линзовых объектива (табл. 5.2).
5.2. Параметры объективов микроскопа-тепловизора AGA-680
Параметр | Объектив | ||
N« 1 | № 2 | 1 № 3 | |
Поле, зрения, мм Увеличение | 6X6 15х 100 36 | 1,6Х 1,6 | 0,65X0,65 125 х 20 20 |
При использовании объектива с 15-кратным увеличением минимальная разрешающая способность тепловизора по температуре 0,6 С (при темпера- туре объекта 70 °С). Применяя объектив с 125-кратным увеличением, можно зарегистрировать минимальную разность температур 2,5 °С.
Микроскоп-тепловизор фирмы AGEMA имеет одноэлементный ПИ и оптико-механическую систему сканирования с частотой кадровой развертки 16 с-1 и строчной развертки 1600 с-1.
К основным областям применения тепловизора-микроскопа относят следующие: выявление областей с повышенной температурой в микросхемах; поиск и исследование дефектных соединений и контактов; наблюдение за состоянием образца при его испытаниях с разрушением или без него; проверка соответствия термических характеристик изделия расчетным данным; осмотр проводников, точек пайки или сварки внутри схемы во время ее работы; получение термограмм микросхем; проверка соединений тонкопленочных элементов.
Высоким быстродействием обладает микроскоп-тепловизор фирмы Элматики (ФРГ). Сканирование по строке в этом приборе осуществляется колебаниями плоского зеркала с помощью торсионного механизма. Прибор имеет три объектива с увеличением 15х, 36х, 52х и линейным разрешением 25,10 и 7,5 мкм соответственно. Меньшее быстродействие имеет прибор фирмы «Элтро» (ФРГ), предназначенный для наблюдения объектов в видимом и инфракрасном диапазонах одновременно. Сменные зеркально-линзовые объективы позволяют получить увеличение 15х, 52х и 73х. Частота кадров 1; 0,32 или 0,5 Гц при 100 строках в кадре. В качестве ПИ можно использовать фоторезисторы из InSb или HgCdTe. Тепловое изображение рассматриваемого объекта воспроизводится на экране ЭЛТ. Предусмотрен просмотр распределения амплитуды вдоль строки. Кадровое поворотное зеркало управляется в этом режиме вручную, а ЭЛТ работает в осциллографическом режиме. Разрешающая способность по температуре не ниже 1 °С.
При использовании тепловизоров для диагностики электронных схем необходимо выполнять следующие условия: данные проверки идентичных узлов можно сопоставлять только в том случае, если геометрическая конфигурация узлов совершенно одинакова, температура Окружающего воздуха постоянна, а способ крепления исследуемых объектов неизменен. Если коэффициент теплового излучения материала постоянный, его знать не обязательно. Это условие выполняется для изделий, изготовленных по единому технологическому процессу.
Геометрическая конфигурация термограмм от одного исследуемого узла электронной схемы к другому сохраняется неизменной, так как расположение компонентов фиксировано печатной платой. Горячие компоненты, в которых рассеивается большое количество тепла, проявляются на термограммах в виде выбросов (пиков) и легко обнаруживаются.
В последнее время в связи с бурным развитием микроэлектроники появились новые методы и средства неразрушающего контроля и прогнозирования надежности ИЭТ. Один из этих методов основан на использовании тепловизора-микроскопа с видиконом, чувствительными инфракрасному излучению. Он позволяет наблюдать электролюминесцентное (рекомбинационное) излучение из р- и я-областей структуры, прилегающих к р-я-переходам транзисторов. Метод дает возможность контролировать оптимальные компоновки структур, погрешности совмещения при фотолитографии и другие дефекты технологии и производства ИЭТ.
