基于热测试技术的电子产品可靠性分析研究

方子敏 王红涛 刘建南 刘意 高军

摘  要：热测试技术能观测到产品工作状态中的发热状态，对于提升电子产品可靠性具有重要的作用，特别适用于发热电子组件及设备。利用非接触式热测试快速定位产品高发热区域，并基于温度步进式方法对产品进行接触式热测试，从而获取产品高发热点准确温度数据。本文以某型光声光谱检测仪为例，通过热测试及分析给出电路板潜在的高发热点和耐热薄弱环节，为电路板结构的优化及布局提供数据支撑，进一步提升产品可靠性。

关键词：热测试;电子产品;光声光谱检测仪;可靠性

中图分类号：TN405       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2019）19-0037-04

Abstract：The thermal testing technology can observe the state of heat in the working state of heat in working state of the product and plays an important role in improving the reliability of electronic products. Especially suitable for heating electronic components and equipment. The non-contact thermal test is used to quickly locate the high-heating area of the product，and the contact thermal test is performed on the product based on the temperature step-by-step method，thereby obtaining accurate temperature data of the product with high heat point. This paper takes the a type of photoacoustic spectroscopy as an example，and gives the potentially high heat spots and heat-resistant weak points of the printed circuit board through thermal test and analyses. The potentially high heat spots and heat-resistant weak points provide data support for the optimization and layout of the printed circuit board structure，further improve product reliability.

Keywords：thermal testing;electronic product;photoacoustic spectroscopy;reliability

0  引  言

隨着现代工业和科学技术的飞速发展，电子产品的功能、性能不断优化，提升产品的可靠性成为行业未来的重要发展方向，而温度则是影响电子产品可靠性的一项重要因素[1]。通过对电子产品中核心电路模块进行热测试，可以较准确地了解电路模块中的热度分布，结合电路模块上元器件工作温度范围信息，分析给出电路模块潜在的耐热薄弱环节，进而提出热设计优化和电路板结构、布局改进方案。

1  热测试的简介

热测试是在电子产品的设计调试或样机阶段对电子产品工作时的温度进行测量，从而获取电子产品的实际分布温度，是获取电子产品温度最准确的手段，也是检验电子产品传热特性的指标是否满足预期要求的最终手段。[2]

热测试的主要方法有两种。方法一是非接触式热测试，该方法利用热辐射原理来测量产品的温度，被测产品不需要与被测介质接触，其优点是操作简单，且不影响被测器件的温场;缺点是由于无法准确地判断器件表面黑度，难以准确地测出器件表面的真实温度。利用非接触式热测试可初步获取电路板的温度云图，常用的非接触式热测试设备有热像仪、红外测温仪等。方法二是接触式热测试，该方法将测温传感器直接与被测物体接触，将传感器放置于与被测物体相同的热平衡状态中，使传感器与被测物体保持同一温度的测试法，即采取热电偶对电路板上元器件进行热测试，获取器件表面温度，其优点是精度较高，方法可靠，缺点是测温元件要与被测介质接触进行热交换，逐步达到热平衡，因而会产生滞后现象，常用的接触式热测试有热电偶传感器法、热敏电阻传感器法、集成电路传感器法等。[3]

2  样品选取及简介

2.1  样品选取原则

本文以某型光声光谱检测仪电控模块中主板及电源板为例开展热测试及热设计改进分析。样品选取原则是基于该型光声光谱检测仪电控模块由主板、电源板及连接器组件组成，其中主板实现控制功能，属于影响产品可靠性的关键件，而电源板为电控模块提供电源，属于影响产品可靠性的重要件。同时，考虑到主板及电源板为产品主要发热模块，而热失效是电子产品主要失效形式[4]，电子产品失效有55%是温度超过电子元器件规定值而引起的[5]。因此，选取主板和电源板进行热测试分析，针对其耐热薄弱环节进行改善及优化，对于降低该型光声光谱检测仪失效率，提升其产品可靠性有重要作用。

2.2  样品简介

某型光声光谱检测仪电控模块主板主要实现控制功能，其核心器件包括驱动芯片、可编程逻辑器和嵌入式芯片，主板实物外观图如图1（a）所示;电源板主要实现电压调节给电压输出功能，核心芯片包括PWM控制芯片和三端稳压器，电源板实物外观图如图1（b）所示。主板及电源板核心器件数量及器件规格书标称工作温度范围如表1所示。

3  测试方案

3.1  方案设计

为全面分析光声光谱检测仪主板和电源板热度分布情况，有针对性地进行优化改进，最终实现提高产品可靠性的目的[6]，本次测试方案首先采用红外热像仪获取光声光谱检测仪主板及电源板的热场总体云图和局部云图，整体宏观地观察各电路板上的发热区域，并为后续采用温度数据采集器在不同环境温度下对发热区域进行精确测试奠定基础。然后采用接触式热电偶和温度数据采集器，分别在常温、40℃、50℃、60℃及70℃环境条件下测量高温元器件的工作温度，在不同条件下查找光声光谱检测仪热设计缺陷。最后根据试验结果提出改进措施并实施改进验证。图2给出本次热测试方案完整流程及设计步骤。

3.2  热测试步骤

本次热测试的具体试验步骤如下：

（1）在实验室常温条件下，采用热像仪进行非接触式热测试，初步获取各个电路板的温度云图，根据云图初步分析高温点，对照高温点对应位置元器件耐热范围，初步确定电控系统潜在高温风险点;

（2）将电控系统放置在试验箱中，针对潜在的高温风险点进一步部署热电偶，将试验温度升至40℃，保持1个小时，采用数据采集器进行接触式温度测量，精确获得各个温度监测点的温度;

（3）进一步将试验温度升至50℃，保持1个小时，采用数据采集器进行接触式温度测量，精确获得各个温度监测点的温度;

（4）进一步将试验温度升至60℃，保持1个小时，采用数据采集器进行接触式温度测量，精确获得各个温度监测点的温度;

（5）进一步将试验温度升至70℃，保持1个小时，采用数据采集器进行接触式温度测量，精确获得各个温度监测点的温度。

从而获得各个监测点在不同高温环境下的温度变化趋势，为确定电控系统耐热薄弱环节提供详细数据。监测点选取主板和电源板上核心器件和发热器件。

3.3  热测试设备

本次热测试试验涉及设备包括热像仪、数据采集器，综合应力温湿度箱，其中热像仪用于非接触式热测试，数据采集器用于接触式热测试，综合应力温湿度箱子用于不同温度下，具体型号及数量，如表2所示。

4  测试结果及分析

4.1  非接触式热测试

在常温（27.9℃）加电工作状态下，采用手持式红外热成像仪分别监测主板和电源模块的温度云图，同时监测关键热点的实际温度。通过红外热成像仪获得的器件主板温度状况如图3（a）所示，电源板温度状况温度云图如图3（b）所示。主板各主要器件常温工作下实测温度如表3所示，电源板各主要器件常温工作下实测温度如表4所示。

通过表3和表4中常温热像仪检测主板及电源板关键器件温度结果可知，各关键器件实测温度均在工作温度范围内，但电源板中PWM控制芯片UC3843B实测温度偏高，属于潜在耐热薄弱环节。

4.2  接触式热测试

采用接触式热电偶和温度数据采集器，测试各电路板上发热器件分别在环境温度40℃、50℃、60℃、70℃下的温度，温度应力试验图如图4所示，检查是否满足器件自身工作环境温度要求，特别关注非接触测试中潜在耐热薄弱环节。经测试，主板及电源板主要器件接触式检测结果如表5和表6所示。

通过表3至表6数据定量分析可知，主板中各器件在环境温度40℃、50℃、60℃、70℃下的器件温度满足工作温度范围，电源板的PWM控制芯片UC3843B在40℃、50℃、60℃测试中满足工作温度范围（-40～+85℃），但在70℃测试中超出器件工作温度范围，需要针对该项耐热薄弱环节进行热设计改进，从而提升产品可靠性。

5  改进措施及验证

5.1  电源板改进措施

针对电源板的PWM控制芯片UC3843B在70℃工作时超出芯片工作温度范围问题，考虑到该芯片散热面积较小，电路为高压转换电路，该器件靠近发热源，因此采取以下两种改进措施：一是将原来的SO封装更换为DIP封装，增加器件散热面积，器件型号变更为UC3843BN;二是对原电路重新布局设计，将该器件远离高压发热功率器件。电源板改进前后实物如图5所示，其中方框标注为芯片UC3843B及UC3843BN在板上的位置。

5.2  电源板改进后验证

改进后对电源板在40℃、50℃、60℃、70℃下的温度重新进行接触式热测试，回归测试验证结果如表7所示，该芯片表面温度较改进前有所改善，在各温度下测试均满足器件工作温度范围（-40～+85℃），说明本次改进措施有效。

6  结  论

本文以某型光声光谱检测仪为例，通过非接触式及接触式热测试的方式对电子产品进行试验，给出电路板的常温工作状态下的温度云图及核心器件在步进式温度条件下器件表面温度，结合器件工作温度范围进行分析，确定板卡上对热应力敏感的薄弱元器件，进而有针对性地改进实施和验证。由此可知，通过有效的热测试技术可以在样品设计阶段确认电子产品的热设计能否满足要求，同时找出耐熱薄弱环节以及易发故障位置，有针对性地进行设计改进，进一步提升电子产品的可靠性。

参考文献：

[1] 章云峰.电子组件热分布的测试与分析 [D].镇江：江苏大学，2005.

[2] 张敏.热测试在电子设备研制中的应用 [J].信息技术与标准化，2013（3）：62-65.

[3] 卢锡铭.电子设备热仿真及热测试技术研究 [J].舰船电子对抗，2013，36（3）：118-120.

[4] 黄祯光.航天电子仪器热分析及热测试研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

[5] MOORE.GE. Progress in digital integrated electronics [C]//Electron Devices Meeting，1975 International.S.l.：s.n.，1975：11-13.

[6] 王红涛，高军，文武，等.基于ANSYS的电路板组件热仿真及试验验证研究 [J].现代信息科技，2018，2（5）：29-33+35.

作者简介：方子敏（1990-），男，汉族，广东广州人，可靠性工程师，毕业于华南理工大学，本科，研究方向：电子设备产品质量与可靠性;王红涛（1990-），男，汉族，山东金乡人，技术工程师，硕士研究生，研究方向：仪器设备产品质量与可靠性;刘建南（1989-），女，汉族，河南南阳人，质量工程师，研究方向：电子产品质量与可靠性;刘意（1973-），男，汉族，重庆人，项目经理，毕业于北京理工大学，本科，研究方向：电子产品质量与可靠性。通讯作者：高军（1978.04-），男，汉族，长沙黄兴人，总经理，高级工程师，硕士，研究方向：质量与可靠性。