功率器件热设计基础（十四）----热成像仪测温度概述

功率半导体热设计是实现IGBT、SiC高功率密度设计的基础，只有掌握功率半导体的热设计基础知识和测试的基本技能，才能完成精确热设计，提高功率器件的利用率，降低系统成本，并保证系统的可靠性。功率器件热设计基础系列文章已经比较系统地讲解热设计基础知识、相关标准和工程测量方法，本篇的话题是《使用热成像仪测温度的注意事项》。

用热成像仪测温度，在电力电子系统设计和验证中，是一个简单有效的非接触式测温度的方法，非常受工程师的欢迎，但工程应用中的一些疑问和误区需要梳理一下。

你有没有想过，热成像仪为何能“看见”温度？

任何物质，只要温度高于绝对零度，都会根据其温度发射红外辐射，这种辐射由原子热运动产生，其波长由温度决定。为了衡量不同物体发射红外能量的能力，我们引入一个理想模型——“黑体”。它像一位完美发热的标杆，其发热只与温度相关，而现实中物体的“发射率”，则衡量了它模仿这位标杆的得分。黑体是满分1分的话，现实中的物体的发射率则在0~1之间。一些表面光亮或者抛光后的金属发射率较低，约为0.1，因它光滑如镜，偏爱反射而非辐射热量，实际的热量更易通过传导快速散失。许多非金属材料如木材、塑料或橡胶等表面相较粗糙，很少发生反射，辐射率也通常较高，能达到0.8~0.95。热成像仪正是捕获物体散发的红外辐射——再将其转换为可见的热图像，让我们直观感知世界的冷热。

简述红外测温原理

红外测温的核心原理是普朗克黑体辐射定律，通过检测物体自身向外辐射的红外线能量，并将这些辐射能量强弱转换为相应的电信号，仪器内的计算系统会根据这些电信号计算出物体表面的温度值，每一个像素点都会生成一个温度数据，并映射到特定的颜色，最终在屏幕上合成一副直观的热分布图像。这一方法无需与被测物体直接接触，属于“非接触式测温”技术，广泛应用于电力电子系统设计验证中，用于测量PCB板子温度，母排和熔断器温度，功率半导体温度，在《功率器件热设计基础（四）——功率半导体芯片温度和测试方法》一文中讲述了用红外成像仪测功率半导体芯片温度的案例。

使用热成像仪时的注意事项

为了实现精确测量，使用热成像仪时需要注意如下几点：

01

距离与视野

热成像仪并非测量一个“点”，而是捕获一定范围内所有红外辐射的平均值，这就是距离(D)与视野(S)的原则的重要性。在使用热成像仪时，一定要关注空间分辨率这个参数，通常用IFOV(Instantaneous Field of View)表示，单位是毫弧度(mrad)。它告诉我们每个像素点代表了实际多大的面积，一般mrad值越小，说明空间分辨率越高，热成像仪看的越“精细”，而热成像仪的像素数量也即它的红外分辨率，数值决定了图像的清晰度，适用于大范围全景扫描的通常在300X300上下。同时，空间分辨率决定了测量距离D和最小可测目标尺寸S之间的关系，如下所示：

S: 测量目标的最小直径(m)

D:热成像仪距目标的距离(m)

IFOV: 热成像仪的空间分辨率(mrad，1 mrd=0.001 rad)

如果一台热成像仪的IFOV是1.5mrd,也即0.0015rad，那么当热成像仪距目标的距离为10m时，它能分辨出的最小目标尺寸是S=D*IFOV=0.015m，即1.5cm。因此，为了准确测量，应确保被测量的目标尺寸比热成像仪能测量的最小目标尺寸更大，至少2倍为宜。

02

环境条件

红外辐射在空气中传播时，并非畅通无阻，空气中的水蒸气、灰尘、烟雾等都会吸收和散射红外线，从而妨碍精确测温。在湿度、灰尘含量较高的场合下使用时，要注意红外辐射的衰减，探测远距离目标时可以配备长焦镜头来保证清晰度。若有异物颗粒落在热成像仪的镜头上，不要用纸张或者布擦拭，可能会刮坏镜片表面的增透膜镀层，建议用无水酒精蘸棉花轻微擦拭。

通常热成像仪可以使用的最低环境温度为-10℃，如果在这种环境温度下不做任何保护措施直接检测，可能会造成镜头花屏。而塑料袋具有高透射率和低吸收率，大部分的红外辐射会直接穿透塑料袋，对测量结果影响微弱，因此可以将热成像仪放在保温袋中，使用时候套进塑料袋里进行短时测试。

03

发射率

选择合适的发射率，是热成像仪使用中最核心、最基础也是最容易出错的概念之一。前面提到过，发射率衡量的是物体表面发射红外辐射的能力，其值介于0（完美镜面）~1（黑体）之间。有用过热成像仪测功率单元的工程师们都有这样的经验，测温的时候需要把表面涂黑，这样潜意识里已经有了个结论，深色物体发射率高，黑色物体可以接近0.95，热成像仪不需要做修正，其实这并不正确。那你想过没有医生用额温枪测你体温时，为什么没有用墨汁把你额头涂黑？难道物理学不存在了？其实医生也未必知道，你的额头发射率高达0.98，非常优秀的“黑体”。

从物理学的角度来看，发射率主要受材料类型、表面粗糙度和表面涂层等因素影响：

材料类型

这是最根本的因素。不同材料的分子结构，化学键和电子能级决定了它们吸收和辐射能量的固有能力。通常导体（如金属）具有低发射率，其表面的自由电子能非常有效地反射红外辐射，因此自身发射辐射的能力就较差，如下图中的抛光铝、黄铜镜面；绝缘体（非金属）则常具有高发射率，他们的分子结构更易吸收和发射红外辐射，如下图中的FR4、绝缘胶布；而半导体的发射率则介于二者之间，并可根据其掺杂程度而变化，如下图中的氧化铝。

表面粗糙度

对金属来说，这是一个很重要的影响因素。如果对金属表面做抛光，它会将大部分红外辐射反射掉，如上图中的抛光铝的发射率仅为0.09；而若是对金属表面做氧化或者喷砂，会让其表面变得粗糙，微小的凹凸不平形成了空腔效应，红外辐射在表面这些空腔中被多次反射和吸收，发射率也会相应提升，如上图中的轻度氧化铝，发射率在0.1~0.2之间。

表面涂层

任何改变表面的东西都会改变其发射率。化学层面，可以表面氧化，生锈的铁的发射率约0.6，而抛光的铁则为0.05。物理层面较为简单，可以选择在物体表面喷漆或者贴绝缘胶带，都可以将发射率提升到0.9以上。

通常喷漆法适用于较小目标，如芯片表面、管脚等，且应尽量保证漆面均匀，薄但要覆盖住目标表面。一般胶带法适用于较大目标，如散热模块，金属表面等，且一般胶带只能耐温100℃，若检测高温建议使用高温胶带。贴胶带时应保证与被测目标表面紧密接触，没有气泡或者褶皱。无论是喷漆还是胶带法，都要预留至少5分钟的时间来保证其和被测目标充分达到热平衡的状态。

但是要注意的是，喷漆法和贴胶带法可能会影响金属表面的散热，改变原有金属表面的温度，且喷漆后不方便擦拭，胶带法也不适用于一些不规则的物体。这个时候还可以使用导热硅脂法，选用合适导热系数的导热硅脂，既可以真实反映金属表面的温度状况，又具有较高发射率（上图中为例，发射率约为0.95），使用后还可轻松擦拭。

注：上述三种方法摘自《福禄克热像仪常见问答口袋书》2024年版。

功率半导体芯片表面温度的测量

JEDEC出版物JEP138 User guidelines for IR thermal imaging determination of die temperature，这种方法主要用于电力电子系统定型设计，对散热系统进行定标，参考《功率器件热设计基础（三）——功率半导体壳温和散热器温度定义和测试方法》。

红外相机测温需要做发射率矫正，模块需要去胶，涂黑，JEP138建议了黑色涂层厚度控制在25-50um，涂层表面的发射率大于0.95。注意，哪怕按照JEP138建议，也会改变芯片的热特性，均匀的高发射率层可将峰值结温降低多达2%(°K)。

结论

热成像仪测温度是一项实践性很强的工作，是一项综合考虑测量条件的技术活，它能将不可见的红外辐射转化为直观的热图像，成为故障诊断、系统检测的好帮手。获得准确温度也并非简单按下快门，若想提升测量精度就必须理解影响其精度的关键因素。无论是调整合适的测量距离、干燥整洁的测试环境还是为测试目标设定合适的发射率，都会帮助提升测量结果的准确性。建议参考《福禄克热像仪常见问答口袋书》2024年版，口袋书中整理了40个常见问答，另外，JEP138全文有11页，全文也可以在JEDEC下载。