显微红外光学成像系统的设计_郭世苗

２８生命科学仪器 ２００８　第６卷／　１２月刊显微红外光学成像系统的设计郭世苗，魏　臻，吴建东（天津理工大学　电子信息工程学院，天津　３００３８４）

引言电子设备一旦出现故障，只有进行有效的元件级维修，才能使其正常运行。随着电子技术的迅速发展，被测试系统规模的不断扩大，大规模和超大规模集成电路的广泛使用，电路板上的元器件越来越密集；并且由于电路复杂，使电路板上集成芯片（ＩＣ）级故障的实时检测越来越困难。红外热像作为新兴的非接触式测试技术，用于电路板热故障实时检测时，不会因检测不慎而使元件受损，是一种有效的检测手段。同时，对电路板的可测性设计和测试连接设备均无需提出额外要求，能在一次测试中提取电路板上所有元器件的热像，并可进行多重故障诊断［１］。红外显微系统是利用被测物体发出的红外射线对微小物体，如大规模集成电路板进行热成像，通过对所提取热像的分析，达到检测被观察物体工作状况的目的。红外显微镜作为一种先进的测试仪器，已被广泛的应用于各种领域。目前，红外显微镜仅在部分发达国家生产，且价格昂贵。国内的红外显微检测系统起步较晚，尚无生产红外显微镜的厂家，拥有进口红外显微镜的单位也很少。１ 红外热成像技术背景 红外热成像技术是现代影像学的一支新军。该技术与　Ｘ射线、Ｂ超、ＣＴ、核磁共振等显像技术的成像原理不同，它不主动发射任何射线，只是被动地接收热源的红外辐射，形成热源的热影像，是热源的表面温度分布图像。红外热成像技术的主要特点是能采样分布很广的温度值，经过分析处理，最后用伪彩色的形式在显示器上显示出被测物体表面的温度分布图像。通过对该图像的分析，可直观地得到被测物的形状、大

小、热分布及热稳定等特性。电路板在通电时，各元器件相对于室温有一个比较稳定的温度，因此，通过红外测温传感器对电路板上各元器件的分布温度进行有效的非接触测量，并将其数据输入计算机。然后，借助于处理软件把这些元器件上的温度信息转换成伪彩色图像信息，通过显示器提供给观察者。同时，建立同一电路板工作时的标准热模式，并对电路板芯片若干故障现象进行试验。通过对实验结果的比较分析，确定传感器测量值对各诊断元件的隶属度函数，并根据隶属度来确定故障元件。标准化的制定 实际应用时，红外在线监测结果将受到设备运行情况和测试条件的影响而呈现不同的结果，所以，必须把多个在任意条件下得到的结果进行标准化处理，进行一定程度的统一，只有这样，才有可能做到结果的唯一化。故障的判断 为了克服目前电路板故障红外诊断中对故障判定的人为性和经验性的影响，应深入开展红外诊断中的模式识别等逻辑诊断方法的研究，以便实现故障判别的人工智能化。虽然目前已经有人研制了一些检测用软件，但是这些软件设计基础还仅仅是己知设备故障的典型红外图谱，而且其数据文件尚未进行标准化处理，其智能化程度还很低。对于热源辨识、辐射率校准、环境温度校准、热像配准和温度信息等因素的处理还不是很理想。因此，这方面的研究工作还应进一步深入开展［２］。２ 红外热像仪随着半导体技术的迅速发展，被测试系统规模的不断扩大，大规模和超大规模集成电路被广泛安装在印刷电路板（ＰＣＢ）上。由于电路板上元器件密集，电路原理复杂，使得对数模混合电路板上集成

研究报告摘要 红外热成像技术是现代影像学中的一门新兴技术。它与ｘ射线、Ｂ超、ＣＴ、核磁共振等显像技术的成像原理不同，它不主动发射任何射线，只是被动接受热源所发射出的红外线，经过处理后得到热源的影像。该技术的最大特点是不用接触待测物体。因此，对于一些高危行业，如核工业中元器件的检测将变得非常容易。本文所叙述的就是利用红外热像技术与显微技术的结合，制作一种红外显微镜。红外显微镜可以将出现故障的大规模集成电路板中数以万计的微小元器件的影像传输到计算机中，经过计算机的分析，可以很容易地分析出具体故障所在。因此，大范围电子元器件故障的快速检测将变得简单、快捷。关键词 红外热像；显微技术；红外显微镜２９

生命科学仪器 ２００８　第６卷／　１２月刊芯片（ＩＣ）级的故障诊断越来越困难。利用红外热像仪拍摄到的热图像可以方便地实现电路元件的故障检测。红外热像仪是通过检测物体的红外辐射能量（指波长介于约１微米到１　毫米之间的那部分能量），对物体表面温度进行非接触式测量的仪器。红外摄像头通常采集被测物体在３　到５　微米或８　到１０　微米波段内的红外辐射，经过热像仪内部电路的处理将能量信号转换为电信号，经Ａ／　Ｄ　转换后送到处理器内进行处理和储存。处理器将这些电信号换算为温度值，并把被测物体表面的温度分布图显示在屏幕上，用不同的颜色代表不同的温度值［３］。红外热像仪在监测电子设备外部故障方面有着不可比拟的优势，它通过设备运行中的真实温度分布状态，以不停电、不接触电路板、直观、准确的优点成为电子设备检测的一种行之有效的检测手段。３ 显微红外光学成像系统的设计（１）红外显微镜根据莫尔定律，半导体集成电路芯片上的晶体管数量每隔１８个月将会增加一倍，这对我们在日常生活中使用电子线路的大多数人来说，无疑是一个很好的消息。但是，对众多微型器件公司来说，它意味着“干草堆”变得越来越大，而“针子”变得越来越来小（意思就是在芯片上寻找故障会缺陷更难，犹如大海捞针）［４］。尤其是ＩＣ芯片，在新型电子装备中应用越来越广泛，但测试愈来愈困难，ＩＣ的高集成度和密集封装使得传统的测试仪器和测试方法已很难胜任，主要是由于测试相当复杂且难于接近测点。而大量的微电子机械系统（ＭＥＭＳ）器件也需要热分析和热设计，并关注使用过程中的热性能，所以，热测试是必不可少的工作。对于ＭＥＭＳ器件的温度和热特性测量，要求空间分辨率达到微米的数量级［５］，这是一般红外成像系统所不能实现的。因为通用的红外热成像的镜头是望远镜头或广角镜头，不能对微细物体成像。因此，在实际检测中，需要前置一个红外放大光学系统，再配合红外热像仪方能进行有效的观察。为了达到这个目的，红外显微系统便应运而生了。红外显微镜主要由显微镜和红外镜头组成。物体发射的光线先由显微镜接收并使其放大，形成物体放大像，再由红外镜头来过滤掉其它光束　，只留下红外光，如图１所示。但是，目前国内用户使用的红外显微镜均为进口，价格昂贵，限制了它的推广使用。图２所示的是普通的红外镜头，本实验所采用的短焦距的广角镜头。

图１　红外显微镜Ｆｉｇ．１　Ｉｎｆｒａｒｅｄｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ

图２　红外镜头Ｆｉｇ．２　Ｉｎｆｒａｒｅｄｌｅｎｓ

（２）显微红外光学成像系统的设计与实验任何高于绝对温度零度的物体都是红外辐射源，温度不同的物体，所发射出来的红外辐射也就不同。这就是显微红外光学成像系统所要应用的原理。系统的结构框图如图３所示。首先，将红外镜头固定在透镜支架上，如图４所示。再用普通的白纸，剪一个很小的三角形图案，将三角形贴在一个黑色的背景上，并将这个黑色背景放在红外镜头前。此时，由于黑色背景和小三角形都是长时间储存在室温环境下的，因此二者的温度是相同的。其次，用一台灯近距离照射已经贴有小三角形的黑色背景。此时，黑色背景和三角形

研究报告３０

生命科学仪器 ２００８　第６卷／　１２月刊都会因为照射而使其本身的温度上升。由于黑色比白色更容易吸收热量，因此，黑色背景相对于白色的小三角形而言，温度升高的更快，这样他们之间就产生了温度差。利用红外热像仪可以很方便地拍摄到其温度分布。然后，调节红外镜头和黑色背景之间的相对位置，使之成一个放大倒立的实像（中间白色的就是小三角形白纸的像），如图５所示。最后，利用通用的红外热像仪，使用其近摄功能，对该实像进行二次成像，从而在热像仪的显示屏上得到一个放大的影像，如图６所示（黑色背景吸热比较快，即是图中粉色圆环部分）。通过调节红外镜头和热像仪的组合参数，即改变红外显微镜的等效模型的参数配比，可以得到不同的光学放大倍数。通过以上步骤，利用红外广角镜头和通用红外热像仪组合的红外光学系统，实现了红外显微摄影的目的，有效地提高了通用红外热像仪的利用率。 ４ 结论本研究通过分析显微红外光学成像系统的成像原理，利用物体发射的红外线，先经单红外镜头接收，并使其放大，形成物体的放大实像；再由红外热像仪接收，经过红外热像仪内部电路的处理将能量信号转换为电信号，进行处理和储存；计算机将这些电信号换算为温度值并把被测物体表面的温度分布图显示在屏幕上，用不同的颜色代表不同的温度值，从而达到了用通用红外热像仪实现显微摄影的目的。通过前面的介绍，可以很清楚的看到，显微红外光学成像系统在现代科技，尤其是在集成电路板故障实时检测方面的巨大作用。并且该系统构造简单，

　图４　红外镜头 Ｆｉｇ．　４　Ｉｎｆｒａｒｅｄｌｅｎ图３　显微红外光学成像系统流程示意图Ｆｉｇ．　３　Ｍｉｃｒｏ－ｉｎｆｒａｒｅｄｏｐｔｉｃａｌ　ｉｍａｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｌｏｗｄｉａｇｒａｍ　图６　影像 Ｆｉｇ．６　Ｉｍａｇｅ　图５　实像 Ｆｉｇ．５　Ｒｅａｌ　ｉｍａｇｅ研究报告３１

生命科学仪器 ２００８　第６卷／　１２月刊Ｇｕｏ　Ｓｈｉ－ｍｉａｏ，Ｗｅｉ　Ｚｈｅｎ，Ｗｕ　Ｊｉａｎ－ｄｏｎｇ，（Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ａｎｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｔｉａｎｊｉｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｔｉａｎｊｉｎ　３００１９１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ＩＲ　ａｎｄｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｅ　ｉｓ　ａｎ　ｅｍｅｒｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｍｏｄｅｒｎ　ｉｍａｇｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｔｈｅ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｏｆ　ＩＲａｎｄｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｅ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｔｈｅ　ｓａｍｅ　ａｓ　ｘ－ｒａｙ，　Ｂ－ｃｈａｏ，　ＣＴ，　ｍａｇｎｅｔｉｃ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　ｉｍａｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．　Ｉｔ　ｄｏｅｓ　ｎｏｔ　ｔａｋｅ　ｔｈｅ　ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ　ｔｏ　ｌａｕｎｃｈａｎｙ　ｒａｙ，　ｏｎｌｙ　ａｐａｓｓｉｖｅ　ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｈｅａｔ　ｅｍｉｔｔｅｄｂｙ　ｔｈｅ　ｉｎｆｒａ－ｒｅｄ，　ｐｒｏｃｅｓｓｅｄｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｄｒａｗｈｅａｔ　ｏｕｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｉｍａｇｅ．　Ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｍａｊｏｒ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ｉｓ　ｎｏｔ　ｃｏｎｔａｃｔ　ｔｏｔｒｅａｔ　ｔｈｅ　ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｏｂｊｅｃｔ．　Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，　ｒｅｇａｒｄｉｎｇ　ｓｏｍｅ　ｈｉｇｈ－ｒｉｓｋ　ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎｓ，　ｆｏｒ　ｉｎｓｔａｎｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｎｕｃｌｅａｒ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ　ｔｈｅ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｄｅｖｉｃｅ　ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎｂｅｃａｍｅ　ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ　ｅａｓｙ．Ｔｈｉｓ　ａｒｔｉｃｌｅ，　ｉｓ　ｕｓｅｓ　ｔｈｉｓ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄｔｈｅ　ｍｉｃｒｏ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｓ　ｏｎｅ　ｋｉｎｄｏｆ　ｉｎｆｒａｒｅｄｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．　Ｔｈｅ　ｉｎｆｒａｒｅｄｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　ｍａｙ　ａｐｐｅａｒ　ｔｈｅｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｌａｒｇｅ　ｓｃａｌｅ　ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｉｒｃｕｉｔ　ｂｏａｒｄｔｈｅ　ｔｈｏｕｓａｎｄｓ　ｓｍａｌｌ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｄｅｖｉｃｅ　ｐｈａｎｔｏｍｔｏ　ｔｒａｎｓｍｉｔ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ａｆｔｅｒ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｕｔｅｒａｎａｌｙｓｉｓ，　ｍａｙ　ｔｈｅ　ｖｅｒｙ　ｅａｓｙ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ｉｎ．　Ｔｈｅｒｅｆｏｒｅ，　ｔｈｅ　ｗｉｄｅ　ｒａｎｇｅ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｐｒｉｍａｒｙ　ｄｅｖｉｃｅ　ｂｒｅａｋｄｏｗｎ　ｆａｓｔ　ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ　ｃｈａｎｇｅｄｅａｓｙ　ｅｘｔｒｅｍｅｌｙ．ＫｅｙＷｏｒｄｓ Ｉｎｆｒａｒｅｄｔｈｅｒｍａｌ　ｉｍａｇｅｒｙ， Ｍｉｃｒｏ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， Ｉｎｆｒａｒｅｄｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ