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红外热成像在电子和电气工程中的应用

红外热像仪不同于传统接触式温度传感器，它是光学测温技术，采用非接触式测量方式，不会破坏被测对象原有状态。针对电子电气领域的测温需求，它不仅能保障高效率、高分辨率与高精度，还可实现多点同步测量。

电子元件和组件的热成像检测是用于故障检测和质量管理的既定测试程序 - 从原型开发到量产。例如，可以检测以下内容：

热成像检测是电子元件和组件从原型开发到量产各阶段进行缺陷检测和质量管理重要手段：

· 集成电路芯片、功率半导体器件（射频器件，电力电子器件）、SOC等结温测量；

· MCM多芯偏模块，POP叠层封装，板级器件等热分布测量；

· 封装界面，不同材料的热导分布测量；

· 多层堆叠芯片封装的热点定位（2.5D，3D封装器件，SIP系统封装）；

· IC芯片，功率半导体器件短路，漏电等失效分析中的故障热点定位；

· 封装器件的焊接空洞、BGA球缺失、短路等故障定位；

· PCBA板级故障定位。

每个开发步骤中的热成像分析为优化热管理和复杂电子组件的设计提供了重要论据。在电子产品生产中，红外热像测温被用作质量保证的重要手段。高水准的热成像技术已成为关键技术参数及其持续监控生产过程中产品在线测试和最终功能测试不可或缺的工具。

InfraTec 解决方案

无损检测

E-LIT半导体缺陷（热点）检测系统

使用锁相热成像技术检测生产过程中的不均匀温度分布和局部功率损耗。热灵敏度可以到 μK级别。检测器件在μW级功率下的热点位置。

显微红外成像测温系统

显微红外成像测温技术可对微米级的最小结构进行热分析，从而详细表示复杂电子组件上的温度分布。

位于基尔的克里斯蒂安·阿尔布雷希茨大学（CAU）技术学院的科研人员正在研究电力电子领域温度的变化和发展及其在各种半导体材料中的分布，以优化工艺和技术。

https://youtu.be/7Go2mMF_4qM

用 ImageIR红外热像仪对电力电子器件进行测量

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红外热成像在微电子领域的应用示例

用于检查电子元件和集成电路的红外锁相热成像（LOCK-IN THERMOGRAPHY）

· 故障分析和缺陷检查、质量和过程控制以及灵活的研发解决方案

· 印刷电路板、集成电路、半导体材料和多芯片模块上的热点检测

· 检测散热器的热连接故障、短路、焊接缺陷和引线键合错误

热成像技术的其他特性

· 不影响测量对象的RF阻抗，也影响测量对象的散热，有助于安全地避免相应的测量误差

· 在带电工作部件上也能进行安全的温度测量

· 完整记录复杂组件的温度分布及时间过程

· 使用高像素数红外探测器和光机微扫MicroScan单元的测量系统，实现最高的空间分辨率

· 使用红外近摄镜头和红外显微镜头实现最小几何结构的分辨率

· 使用制冷型光子探测器和锁相热成像测量方法检测最小的温差

· 使用强大的分析软件对测量结果进行易于使用的分析和记录

采用高性能红外热成像系统的优势

面向电子和电气工程应用的定制化热成像系统

无损检测

电子/半导体测试 E-LIT

锁相热成像系统能够精准检测生产过程中的温度分布不均问题与局部功率损耗，其热灵敏度可达 μK 级，且可有效定位器件在 μW 级功率运行时产生的热点位置。

规格齐全的红外热像仪

InfraTec 提供 30 多种型号的红外热像仪。客户可从中选择适合应用需求的的红外热像仪。

VarioCAM HDx Lock-In

VarioCAM HDx Lock-in的优势是体积小、重量轻。它是工业现场进行持续测量的首选。

InfraTec 提供不同性能水平的红外热成像系统，产品形态从单机、测试台到自动化系统。通过与客户的技术交流来了解实际使用要求，梳理确定应用场景中的关键技术参数和功能要素，再针对性制定与客户需求相适配的定制化配置方案。

非接触式热成像测温技术能准确地测量热容较小的小物体的温度。即使用尺寸最小的接触式温度传感器，往往也不能实现这一测量目标，因为接触式传感器自身的热耗散常会导致测量结果失真。在许多情况下，受电路自身设计或功能的限制，使用热电偶是完全不可行。

此外，大量电子元器件的结构尺寸极小，无法贴附接触式温度传感器。但高空间分辨率的热成像系统不仅能清晰呈现这类微小结构，还可测定其精确的温度分布及随时间变化的过程。借助特写拍摄功能与高性能红外显微镜头，用户能够测量半导体元件等仅器件表面仅数微米大小的热点。若搭配固体浸没透镜，还可检测尺寸更小的结构。结合相应的主动热成像方法（如Lock-in Thermography 锁相热成像法），能清晰识别微开尔文（µK）量级的温差，从而实现故障定位。

英福泰克（InfraTec）提供配套镜头及红外热像仪，其探测器类型分为制冷型与非制冷型，像元分辨率最高可达（1920×1536）红外像素。适用于制冷型与非制冷型探测器相机的 “光机微扫描”（MicroScan）成像技术，可进一步提升空间分辨率。通过上述方式获取的热像图，能精细呈现元件与组件的细微细节，实现故障的精准检测与定位。对于复杂组件而言，具有数百万像素超高空间分辨率的热成像图优势显著，可在测量或测试对象上同时捕捉大量结构信息。若所用红外探测器的像素数量不足，则需拍摄更多图像才能完整采集测量对象的信息。

上图为常规热像图 – 无法检测到异常热点缺陷

关于电子应用中热成像的案例研究

用热成像方法追踪故障根源

通过热成像技术对电子元件进行损伤与功能分析，已成为电气工程领域成熟的测试手段。在德国勃兰登堡工业大学科特布斯 - 森夫滕贝格校区（BTU Cottbus-Senftenberg）的电气系统与能源物流研究所将该技术应用于科研领域。拉尔夫・沙赫特（Ralph Schacht）教授正聚焦开展印制电路板、电子元件、微电子器件及封装与互连技术复合系统的材料与系统特性表征的研究，以及对这类器件的无损故障分析。

用于纳米技术的微型热致动器

微机电系统（MEMS）在纳米技术领域提供了广泛的可能应用。包括移动电话的位置识别、安全气囊、起搏器和其他微型化医疗诊断领域。德国开姆尼茨工业大学（Chemnitz University of Technology）微系统与生物医学工程教授团队正致力于研发基于微机电系统（MEMS）的微执行器。这类微执行器尺寸仅为数微米，计划用作纳米元件分析的控制平台。与传统的三自由度机电定位台类似，该研究的目标是实现纳米元件水平或垂直运动的高精度控制。

电力电子：未来能源的高效调控核心

在众多应用领域中，电子元件的能效正变得愈发重要。在电子与高科技时代，人们对电子器件提出了更高要求：包括响应速度更快的有源器件、更高的功率密度的微型化系统和绝对可靠的运行性能。与此同时，市场还要求能源的获取需符合环保理念，并且模块性能的提升应与降低能耗同步实现。

高解析度显微红外成像技术在电子工业中的应用

在电子器件性能不断推向更高水平的同时，对微小尺度下热管理的需求在不断增加。弗劳恩霍夫硅技术所（ISIT，Fraunhofer Institute for Silicon Technology）作为研发合作伙伴，助力企业以最优方式满足这些日益增长的需求。由此，最新的科研成果能快速应用于新品研发，从而支撑行业所需的高速创新节奏。为应对这一挑战，硅技术所与其他弗劳恩霍夫研究所一道，掌握了一系列先进技术，凭借这些技术，专业人员能够以最佳方式完成各项研发任务。

精准测定微开（µK）量级温差

热成像技术已在当今电子与电气工程领域的应用中站稳脚跟。背景因素包括：元器件正朝着体积更小、性能更强的方向发展，且工作所需供电电压也不断降低。一般来说，电能消耗越低，元器件产生的温度变化就越小。而我们正是通过测量这些温度的变化来分析可能存在的故障。目前，InfraTec红外热像仪在工作状态下已能实现低于20mK的出色热分辨率，可以从根本上满足上述检测的需求。然而，这样的性能对于某些特定的测量任务还远远不够，这就需要借助锁相热成像技术（Lock-in Thermography）来检测极其微小的温差。通过周期性激励方式，锁相热成像技术能够对被测物进行无损检测，找出其中的缺陷与异常之处。不过，与实时测量相比，采用锁相法时所需测量时间会随目标分辨率的提高而显著增加，有时甚至需要数分钟。因此，使用兼具大画幅与高空间分辨率的热像仪，一次性完成测量工作，将大幅提升检测效率。

与之相反，使用分辨率较低的热像仪，在对被测物进行全面检测的过程中，往往需要多次重复测量，尤其是当故障无法稳定复现时，重复测量的次数会更多。虽然购买低分辨率热像仪的初始成本较低，但这会导致研发人员在测试阶段，或是生产人员在质检阶段耗费大量时间，最终可能造成更高的成本耗费。

红外热像仪、热成像软件和外设的出色协同

InfraTec 尤为注重热像仪与软件之间的优化协同。针对电子制造领域的应用场景，IRBIS® 3 热成像软件具备丰富功能，可支持被动式与主动式两种热成像检测方法的运用。例如，该软件能够实现当前热图像与参考图像的对比分析，还可显示锁相热成像检测中的振幅图与相位图，且相关参数可灵活调整。借助这些功能，能够可靠识别故障目标并清晰呈现。

对于印刷电路板（PCB）及混合组件的测量，IRBIS® 3 同样提供了定制化解决方案。此类测量的一大挑战在于所用元器件数量庞大，且这些元器件又由多种材料构成 —— 如不同类型的金属、陶瓷与塑料，每种材料的表面特性都存在显著差异。

材料表面发射率对精准测温至关重要。通过 IRBIS® 3 软件，用户不仅能测定每个像素点对应的材料发射率，还可对其进行调整；同时，软件会结合发射率与环境反射温度，自动对测得的温度数据进行校正。此外，软件还集成了多种校正模型，用于校正发射率、环境反射温度之外的其他影响因素 —— 这些模型能精准模拟具体的测量场景，将所有可能影响测量结果的因素（如环境辐射、测量过程中使用的窗口、测量路径的衰减特性等）都纳入考量范围。因此，在满足相关测量条件的前提下，用户始终能获得精确的测温结果。