功率半導(dǎo)體熱設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)IGBT、SiC高功率密度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有掌握功率半導(dǎo)體的熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)和測(cè)試的基本技能，才能完成精確熱設(shè)計(jì)，提高功率器件的利用率，降低系統(tǒng)成本，并保證系統(tǒng)的可靠性。功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)系列文章已經(jīng)比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)知識(shí)、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和工程測(cè)量方法，本篇的話題是《使用熱成像儀測(cè)溫度的注意事項(xiàng)》。

用熱成像儀測(cè)溫度，在電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)和驗(yàn)證中，是一個(gè)簡(jiǎn)單有效的非接觸式測(cè)溫度的方法，非常受工程師的歡迎，但工程應(yīng)用中的一些疑問(wèn)和誤區(qū)需要梳理一下。

你有沒(méi)有想過(guò)，熱成像儀為何能“看見(jiàn)”溫度？

任何物質(zhì)，只要溫度高于絕對(duì)零度，都會(huì)根據(jù)其溫度發(fā)射紅外輻射，這種輻射由原子熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生，其波長(zhǎng)由溫度決定。為了衡量不同物體發(fā)射紅外能量的能力，我們引入一個(gè)理想模型——“黑體”。它像一位完美發(fā)熱的標(biāo)桿，其發(fā)熱只與溫度相關(guān)，而現(xiàn)實(shí)中物體的“發(fā)射率”，則衡量了它模仿這位標(biāo)桿的得分。黑體是滿分1分的話，現(xiàn)實(shí)中的物體的發(fā)射率則在0~1之間。一些表面光亮或者拋光后的金屬發(fā)射率較低，約為0.1，因它光滑如鏡，偏愛(ài)反射而非輻射熱量，實(shí)際的熱量更易通過(guò)傳導(dǎo)快速散失。許多非金屬材料如木材、塑料或橡膠等表面相較粗糙，很少發(fā)生反射，輻射率也通常較高，能達(dá)到0.8~0.95。熱成像儀正是捕獲物體散發(fā)的紅外輻射——再將其轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)的熱圖像，讓我們直觀感知世界的冷熱。

簡(jiǎn)述紅外測(cè)溫原理

紅外測(cè)溫的核心原理是普朗克黑體輻射定律，通過(guò)檢測(cè)物體自身向外輻射的紅外線能量，并將這些輻射能量強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，儀器內(nèi)的計(jì)算系統(tǒng)會(huì)根據(jù)這些電信號(hào)計(jì)算出物體表面的溫度值，每一個(gè)像素點(diǎn)都會(huì)生成一個(gè)溫度數(shù)據(jù)，并映射到特定的顏色，最終在屏幕上合成一副直觀的熱分布圖像。這一方法無(wú)需與被測(cè)物體直接接觸，屬于“非接觸式測(cè)溫”技術(shù)，廣泛應(yīng)用于電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)驗(yàn)證中，用于測(cè)量PCB板子溫度，母排和熔斷器溫度，功率半導(dǎo)體溫度，在《功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（四）——功率半導(dǎo)體芯片溫度和測(cè)試方法》一文中講述了用紅外成像儀測(cè)功率半導(dǎo)體芯片溫度的案例。

使用熱成像儀時(shí)的注意事項(xiàng)

為了實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，使用熱成像儀時(shí)需要注意如下幾點(diǎn)：

01

距離與視野

熱成像儀并非測(cè)量一個(gè)“點(diǎn)”，而是捕獲一定范圍內(nèi)所有紅外輻射的平均值，這就是距離(D)與視野(S)的原則的重要性。在使用熱成像儀時(shí)，一定要關(guān)注空間分辨率這個(gè)參數(shù)，通常用IFOV(Instantaneous Field of View)表示，單位是毫弧度(mrad)。它告訴我們每個(gè)像素點(diǎn)代表了實(shí)際多大的面積，一般mrad值越小，說(shuō)明空間分辨率越高，熱成像儀看的越“精細(xì)”，而熱成像儀的像素?cái)?shù)量也即它的紅外分辨率，數(shù)值決定了圖像的清晰度，適用于大范圍全景掃描的通常在300X300上下。同時(shí)，空間分辨率決定了測(cè)量距離D和最小可測(cè)目標(biāo)尺寸S之間的關(guān)系，如下所示：

S: 測(cè)量目標(biāo)的最小直徑(m)

D:熱成像儀距目標(biāo)的距離(m)

IFOV: 熱成像儀的空間分辨率(mrad，1 mrd=0.001 rad)

如果一臺(tái)熱成像儀的IFOV是1.5mrd,也即0.0015rad，那么當(dāng)熱成像儀距目標(biāo)的距離為10m時(shí)，它能分辨出的最小目標(biāo)尺寸是S=D*IFOV=0.015m，即1.5cm。因此，為了準(zhǔn)確測(cè)量，應(yīng)確保被測(cè)量的目標(biāo)尺寸比熱成像儀能測(cè)量的最小目標(biāo)尺寸更大，至少2倍為宜。

02

環(huán)境條件

紅外輻射在空氣中傳播時(shí)，并非暢通無(wú)阻，空氣中的水蒸氣、灰塵、煙霧等都會(huì)吸收和散射紅外線，從而妨礙精確測(cè)溫。在濕度、灰塵含量較高的場(chǎng)合下使用時(shí)，要注意紅外輻射的衰減，探測(cè)遠(yuǎn)距離目標(biāo)時(shí)可以配備長(zhǎng)焦鏡頭來(lái)保證清晰度。若有異物顆粒落在熱成像儀的鏡頭上，不要用紙張或者布擦拭，可能會(huì)刮壞鏡片表面的增透膜鍍層，建議用無(wú)水酒精蘸棉花輕微擦拭。

通常熱成像儀可以使用的最低環(huán)境溫度為-10℃，如果在這種環(huán)境溫度下不做任何保護(hù)措施直接檢測(cè)，可能會(huì)造成鏡頭花屏。而塑料袋具有高透射率和低吸收率，大部分的紅外輻射會(huì)直接穿透塑料袋，對(duì)測(cè)量結(jié)果影響微弱，因此可以將熱成像儀放在保溫袋中，使用時(shí)候套進(jìn)塑料袋里進(jìn)行短時(shí)測(cè)試。

03

發(fā)射率

選擇合適的發(fā)射率，是熱成像儀使用中最核心、最基礎(chǔ)也是最容易出錯(cuò)的概念之一。前面提到過(guò)，發(fā)射率衡量的是物體表面發(fā)射紅外輻射的能力，其值介于0（完美鏡面）~1（黑體）之間。有用過(guò)熱成像儀測(cè)功率單元的工程師們都有這樣的經(jīng)驗(yàn)，測(cè)溫的時(shí)候需要把表面涂黑，這樣潛意識(shí)里已經(jīng)有了個(gè)結(jié)論，深色物體發(fā)射率高，黑色物體可以接近0.95，熱成像儀不需要做修正，其實(shí)這并不正確。那你想過(guò)沒(méi)有醫(yī)生用額溫槍測(cè)你體溫時(shí)，為什么沒(méi)有用墨汁把你額頭涂黑？難道物理學(xué)不存在了？其實(shí)醫(yī)生也未必知道，你的額頭發(fā)射率高達(dá)0.98，非常優(yōu)秀的“黑體”。

從物理學(xué)的角度來(lái)看，發(fā)射率主要受材料類型、表面粗糙度和表面涂層等因素影響：

材料類型

這是最根本的因素。不同材料的分子結(jié)構(gòu)，化學(xué)鍵和電子能級(jí)決定了它們吸收和輻射能量的固有能力。通常導(dǎo)體（如金屬）具有低發(fā)射率，其表面的自由電子能非常有效地反射紅外輻射，因此自身發(fā)射輻射的能力就較差，如下圖中的拋光鋁、黃銅鏡面；絕緣體（非金屬）則常具有高發(fā)射率，他們的分子結(jié)構(gòu)更易吸收和發(fā)射紅外輻射，如下圖中的FR4、絕緣膠布；而半導(dǎo)體的發(fā)射率則介于二者之間，并可根據(jù)其摻雜程度而變化，如下圖中的氧化鋁。

表面粗糙度

對(duì)金屬來(lái)說(shuō)，這是一個(gè)很重要的影響因素。如果對(duì)金屬表面做拋光，它會(huì)將大部分紅外輻射反射掉，如上圖中的拋光鋁的發(fā)射率僅為0.09；而若是對(duì)金屬表面做氧化或者噴砂，會(huì)讓其表面變得粗糙，微小的凹凸不平形成了空腔效應(yīng)，紅外輻射在表面這些空腔中被多次反射和吸收，發(fā)射率也會(huì)相應(yīng)提升，如上圖中的輕度氧化鋁，發(fā)射率在0.1~0.2之間。

表面涂層

任何改變表面的東西都會(huì)改變其發(fā)射率?；瘜W(xué)層面，可以表面氧化，生銹的鐵的發(fā)射率約0.6，而拋光的鐵則為0.05。物理層面較為簡(jiǎn)單，可以選擇在物體表面噴漆或者貼絕緣膠帶，都可以將發(fā)射率提升到0.9以上。

通常噴漆法適用于較小目標(biāo)，如芯片表面、管腳等，且應(yīng)盡量保證漆面均勻，薄但要覆蓋住目標(biāo)表面。一般膠帶法適用于較大目標(biāo)，如散熱模塊，金屬表面等，且一般膠帶只能耐溫100℃，若檢測(cè)高溫建議使用高溫膠帶。貼膠帶時(shí)應(yīng)保證與被測(cè)目標(biāo)表面緊密接觸，沒(méi)有氣泡或者褶皺。無(wú)論是噴漆還是膠帶法，都要預(yù)留至少5分鐘的時(shí)間來(lái)保證其和被測(cè)目標(biāo)充分達(dá)到熱平衡的狀態(tài)。

但是要注意的是，噴漆法和貼膠帶法可能會(huì)影響金屬表面的散熱，改變?cè)薪饘俦砻娴臏囟?，且噴漆后不方便擦拭，膠帶法也不適用于一些不規(guī)則的物體。這個(gè)時(shí)候還可以使用導(dǎo)熱硅脂法，選用合適導(dǎo)熱系數(shù)的導(dǎo)熱硅脂，既可以真實(shí)反映金屬表面的溫度狀況，又具有較高發(fā)射率（上圖中為例，發(fā)射率約為0.95），使用后還可輕松擦拭。

注：上述三種方法摘自《福祿克熱像儀常見(jiàn)問(wèn)答口袋書》2024年版。

功率半導(dǎo)體芯片表面溫度的測(cè)量

JEDEC出版物JEP138 User guidelines for IR thermal imaging determination of die temperature，這種方法主要用于電力電子系統(tǒng)定型設(shè)計(jì)，對(duì)散熱系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，參考《功率器件熱設(shè)計(jì)基礎(chǔ)（三）——功率半導(dǎo)體殼溫和散熱器溫度定義和測(cè)試方法》。

紅外相機(jī)測(cè)溫需要做發(fā)射率矯正，模塊需要去膠，涂黑，JEP138建議了黑色涂層厚度控制在25-50um，涂層表面的發(fā)射率大于0.95。注意，哪怕按照J(rèn)EP138建議，也會(huì)改變芯片的熱特性，均勻的高發(fā)射率層可將峰值結(jié)溫降低多達(dá)2%(°K)。

結(jié)論

熱成像儀測(cè)溫度是一項(xiàng)實(shí)踐性很強(qiáng)的工作，是一項(xiàng)綜合考慮測(cè)量條件的技術(shù)活，它能將不可見(jiàn)的紅外輻射轉(zhuǎn)化為直觀的熱圖像，成為故障診斷、系統(tǒng)檢測(cè)的好幫手。獲得準(zhǔn)確溫度也并非簡(jiǎn)單按下快門，若想提升測(cè)量精度就必須理解影響其精度的關(guān)鍵因素。無(wú)論是調(diào)整合適的測(cè)量距離、干燥整潔的測(cè)試環(huán)境還是為測(cè)試目標(biāo)設(shè)定合適的發(fā)射率，都會(huì)幫助提升測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。建議參考《福祿克熱像儀常見(jiàn)問(wèn)答口袋書》2024年版，口袋書中整理了40個(gè)常見(jiàn)問(wèn)答，另外，JEP138全文有11頁(yè)，全文也可以在JEDEC下載。