Тепловой анализ отказов с помощью ИК-термографии.Часть 1

Технология синхронной термографии (СТГ) - Lock-in Thermography

Метод СТГ был изобретен в 1984 году и широко использовался в неразрушающем контроле для "визуализации процессов под поверхностью" твердых объектов. Между тем, он также являлся стандартной технологией для изучения явления шунтирования в исследованиях солнечных элементов и при анализе отказов в интегральных схемах. 

СТГ подразумевает, что мощность, рассеиваемая в исследуемом объекте, периодически модулируется по амплитуде. Результирующая поверхностная температурная модуляция отображается ИК камерой, работающей с определенной частотой кадров f_fr, а сгенерированные ИК-изображения обрабатываются цифровым способом, в соответствии с синхронизацией. 

Таким образом, эффект метода СТГ аналогичен тому, как если бы каждый пиксель ИК-изображения был бы подключен к двухфазному синхронному усилителю. В принципе, метод СТГ также может применяться при однофазном детектировании, но тогда будут недоступны некоторые полезные опции отображения, такие как фазово-контрастное изображение. Основными результатами двухфазной СТГ являются два типа изображений: представление синфазного S^0°(x,y) и квадратурного сигнала S^-90°(x,y), по сути сдвинутого по фазе на -90° относительно первого. В синхронной ИК-термографии вместо сигнала, сдвинутого на +90°, используется сигнал, сдвинутый на -90°, поскольку первый по существу отрицательный. Из этих двух сигналов можно легко получить описание амплитуды A(x,y), независимой от фазы и фазовое описание Φ(x,y) модуляции температуры поверхности. 

В амплитудном описании, индуцированный наличием источника тепла контраст, определяется рассеиваемой мощностью, умноженной на ε. С другой стороны, фазовое описание зависит от отношения описаний в фазах 0° и -90°, следовательно, для источников теплового излучения оно не зависит от мощности источника тепла, а также от коэффициента ε. Таким образом, фазовый сигнал, по сути, является скорректированным излучательной способностью. 

Фактически, фазовое изображение является мерой временной задержки поверхностной температурной модуляции, связанной с модуляцией мощности, которая в действительности не зависит от величины источника тепла, пока нет суперпозиции (наложения) температурных полей соседних источников теплового излучения.

Для применения СТГ в тепловом анализе отказов это свойство подразумевает, своего рода, «динамическую компрессию» фазового сигнала, при которой локальные источники теплового излучения с различной мощностью отображаются с одинаковым уровнем сигнала. Ниже будет показано, что эти свойства значительно упрощают интерпретацию результатов. Однако, для областей металлизации, для которых характерны более низкие значения, отношение сигнал/шум обоих первичных изображений также снижено, следовательно, на фазовом изображении области металлизации могут казаться более шумными, чем области без нее. Этого можно избежать, если затемнить поверхность, например, с помощью коллоидного висмута, который относительно легко наносится и может быть легко удален в ультразвуковой ванне. 

Вместо ИК-термографии также можно использовать флуоресцентную микротермическую визуализацию (Fluorescent microthermal imaging, FMI) или тепловую визуализацию «муара» (Moiré thermal Imaging) в режиме синхронизации. 

Эти методы иногда называют не синхронными, а «стабилизирующими». Это проясняет тот факт, что в этих динамических методах результат может быть получен уже после нескольких периодов синхронизации или даже после одного периода, а не после достижения теплового равновесия. Обратите внимание, что метод FMI может обеспечить субмикронное пространственное разрешение, но он не позволяет проводить проверку со стороны подложки с высоким пространственным разрешением, так как ему требуется дополнительный слой на поверхности и он примерно в 10 раз менее чувствителен, чем ИК СТГ. Стабилизирующая тепловая визуализация «муара» - это метод проверки со стороны подложки. Его пространственное разрешение достигается только в пределах одного порядка толщины и чувствительность его также значительно ниже, чем у ИК СТГ. 

На рисунке 1 показано, как данные отображения оцениваются при СТГ для получения первичных сигналов S^0° (или S^-90°) для каждого пикселя 

Рисунок 1 – Схема корреляции при СТГ (сигнал в фазе 0°), (a) обычная, (б) субдискретная 

Фактически процесс двухфазной синхронной корреляции состоит из перемножения информации от каждого поступающего изображения и весовых коэффициентов в двух логических каналах, и суммирования этих результатов в двух разных хранилищах кадров.

В одном канале весовые коэффициенты аппроксимируют функцию синуса, а в другом функцию - косинуса (гармоническая корреляция). Другие функции корреляции (например, квадратная форма) также возможны, но для них разложение на амплитудное и фазовое изображение согласно математическому описанию становится не корректно. Для получения максимально возможной чувствительности детектирования, ИК-камера всегда работает с максимально возможной частотой кадров f_fr, а частота синхронизации f_lock-in регулируется путем выбора соответствующего числа кадров за период. 

Ограничением обычной временной корреляции при СТГ, показанной на рисунке 1 (a), является то, что необходимо минимум 4 кадра за период синхронизации. Это означает, что максимально возможная частота синхронизации f_lock-in = f_fr/4, что составляет 25 Гц для типичной частоты кадров 100 Гц. Если несколько локальных источников тепла расположены близко друг к другу, может потребоваться увеличение частоты синхронизации f_lock-in для дальнейшего уменьшения размывания структуры теплового излучения. Применяя данный метод синхронизации частот в кГц-диапазоне может быть выполнено построение изображения СТГ даже для полного кадра. Обратите внимание, что это уменьшение размывания снижает чувствительность, поскольку величина сигнала СТГ всегда уменьшается с увеличением частоты синхронизации.

*При подготовке статьи были использованы следующие материалы: 

1. J. Ross “Microelectronics Failure Analysis Desc Reference. Sixth Edition” USA: «ASM International», 2011. – 660 стр. 

1. Цикл статей о тепловом анализе отказов с помощью ИК-термографии. Часть 2 – «Эффективное пространственное разрешение» >>>

2. Цикл статей о тепловом анализе отказов с помощью ИК-термографии. Часть 3 – «Примеры применения» >>>

1. Цикл статей о тепловом анализе отказов с помощью ИК-термографии. Часть 4 – «Выводы».