熱反射測溫系統(tǒng)測溫準(zhǔn)確度驗(yàn)證方法研究

丁 晨 翟玉衛(wèi) 劉 巖 鄭世棋 吳愛華

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，石家莊 050051)

1 引 言

近年來隨著國防科技的快速發(fā)展和武器裝備性能的迅速提升，對(duì)于高頻率、大功率微波功率器件的需求越來越凸顯。對(duì)微波功率器件而言，得到其真實(shí)工作條件下的結(jié)溫特性最為關(guān)鍵。在幾種用于微波功率器件溫度檢測的光學(xué)檢測手段中，熱反射測溫技術(shù)擁有最高的空間分辨率、較高的測量速度，是一種經(jīng)濟(jì)有效、非接觸、非破壞性的測量穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)表面溫度的光學(xué)方法。相對(duì)于傳統(tǒng)的微電子器件溫度檢測技術(shù)，熱反射測溫最大的優(yōu)勢(shì)是具備優(yōu)越的空間分辨力，因此熱反射測溫系統(tǒng)在高集成、大功率器件的溫度檢測方面得到廣泛應(yīng)用。

為了更加準(zhǔn)確地測量微波功率器件的結(jié)溫，對(duì)熱反射測溫系統(tǒng)測溫準(zhǔn)確度進(jìn)行驗(yàn)證，保證測溫系統(tǒng)的測溫準(zhǔn)確性是非常有必要的。目前，對(duì)于熱反射測溫系統(tǒng)準(zhǔn)確性的驗(yàn)證一般采用典型的微電子器件進(jìn)行驗(yàn)證。例如，QFI公司利用多晶硅電阻驗(yàn)證測溫準(zhǔn)確度，給多晶硅電阻施加一個(gè)周期性變化的電壓，使其溫度周期性變化，多晶硅電阻中心下預(yù)先埋設(shè)一個(gè)二極管，作為溫度傳感器提供標(biāo)準(zhǔn)溫度。但是這種方法由于多晶硅電阻對(duì)可見光具有一定的透射性，容易導(dǎo)致驗(yàn)證結(jié)果不準(zhǔn)確，并且，多晶硅的最佳檢測波長較長，空間分辨力較低，不能準(zhǔn)確的反應(yīng)熱反射測溫系統(tǒng)高空間分辨力下的準(zhǔn)確性。Pavel L.Komarov等提出利用電子探針連接純金微電阻來進(jìn)行驗(yàn)證，但沒有對(duì)純金微電阻進(jìn)行溫度系數(shù)考核，只使用其理論值進(jìn)行計(jì)算電阻的溫度變化，且只驗(yàn)證了一個(gè)溫度點(diǎn)，在驗(yàn)證過程中使用探針連接，探針會(huì)隨著溫度變化產(chǎn)生位移，影響其結(jié)果的準(zhǔn)確性。針對(duì)以上問題，本文采用以Si為襯底，利用半導(dǎo)體工藝制備金薄膜電阻，通過制作夾具，鍵合薄膜電阻與夾具的方式研制出驗(yàn)證電阻件并對(duì)其進(jìn)行溫度系數(shù)考核，通過熱電法，施加周期性電流引起的電阻變化來確定溫度變化，并將其與熱反射方法得到的結(jié)果進(jìn)行比較，從而驗(yàn)證熱反射測溫系統(tǒng)的測溫準(zhǔn)確度。

2 驗(yàn)證方法

2.1 熱反射測溫技術(shù)的原理

當(dāng)可見光照射在某種材料表面時(shí)，材料對(duì)可見光的反射率隨材料溫度變化而變化。且材料對(duì)可見光的反射率變化量與材料表面的溫度變化量呈線性關(guān)系如公式(1)計(jì)算。

(1)

式中：△

R

——反射率變化量；

R

average——反射率的均值；△

T

——被測材料溫度變化量，K；CT——熱反射率校準(zhǔn)系數(shù)，K。利用上述原理，通過測量反射率的變化量△

R

計(jì)算得到材料表面溫度的變化量△

T

的技術(shù)稱為熱反射測溫技術(shù)或光反射測溫技術(shù)。

相對(duì)于傳統(tǒng)的微電子器件溫度檢測技術(shù)，熱反射測溫最大的優(yōu)勢(shì)是具備優(yōu)越的空間分辨力。理論上，熱反射測溫系統(tǒng)最高空間分辨力可以達(dá)到0.3μm，遠(yuǎn)高于顯微紅外測溫儀的1.9μm，即使在實(shí)際的微電子器件溫度檢測中也可以達(dá)到1μm的空間分辨力。由于微電子器件的溫度與可靠性密切相關(guān)，熱反射測溫系統(tǒng)在高空間分辨力下測量結(jié)果的準(zhǔn)確度尤為重要，因此對(duì)熱反射測溫系統(tǒng)的測溫準(zhǔn)確度進(jìn)行驗(yàn)證，保證測溫系統(tǒng)的測溫準(zhǔn)確性是非常有必要的。

2.2 驗(yàn)證件研制

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)熱反射測溫系統(tǒng)測溫準(zhǔn)確度的驗(yàn)證，提出了一種用金薄膜微電阻作為驗(yàn)證電阻件對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證的方法，并搭建了相應(yīng)的驗(yàn)證裝置。

選擇Si作為襯底，表面采用金材料生長工藝制作一個(gè)金薄膜微電阻。為了在有限的面積下實(shí)現(xiàn)較高的阻值，且保持電阻各個(gè)部位的溫度盡可能的一致，需要進(jìn)行圖形設(shè)計(jì)。由于在相同加熱電流的情況下，電阻的阻值越大，電阻兩端的電壓越高，電壓越高測量準(zhǔn)確度越高，即電阻的阻值越大，測量準(zhǔn)確度越高，因此，為了在有限的面積上實(shí)現(xiàn)較高的電阻阻值，金電阻的圖形設(shè)計(jì)采用“蛇”形結(jié)構(gòu)。為了滿足驗(yàn)證熱反射測溫裝置準(zhǔn)確度的需要，電阻的寬度在1μm～50μm之間。其中金焊盤用于給電阻加電。焊盤的長寬比要遠(yuǎn)小于電阻的長寬比，一般小于1%。這樣可以盡量降低焊盤電阻對(duì)總電阻的影響，使能量集中耗散在微電阻上，金薄膜電阻表面圖形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 金薄膜微電阻表面圖形結(jié)構(gòu)

采用半導(dǎo)體工藝制作金薄膜微電阻，使用Si材料作為襯底，在其上生長絕緣層，在絕緣層上制作金材料，然后刻蝕圖形露出絕緣層，從而得到微電阻結(jié)構(gòu)，其中金屬層應(yīng)具有一定的厚度，保證可見光無法穿透。

首先在襯底上生長絕緣層，襯底為Si襯底，絕緣層為SiO層，通過熱氧化工藝在Si襯底上生長SiO層，作為絕緣層及金屬生長層。SiO層的厚度為100nm，SiO層太厚熱氧化時(shí)間長，容易對(duì)襯底造成損傷，太薄則不能有效絕緣，絕緣的目的是電流只從金微電阻上通過。

在絕緣層上生長金屬層。金屬層為Au，通過濺射工藝在絕緣層SiO表面生長Au金屬層。Au金屬層的厚度為100nm。Au金屬層不能太厚，一方面節(jié)約成本，另一方面，較厚的Au金屬層需要較長時(shí)間的濺射工藝，控制Au金屬層的厚度防止濺射工藝中長時(shí)間高溫對(duì)襯底造成損傷。金薄膜微電阻的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 金薄膜微電阻正向剖面圖

通過光刻工藝在金屬層Au表面形成圖形結(jié)構(gòu)的區(qū)域上覆蓋光刻膠，光刻膠保護(hù)形成圖形結(jié)構(gòu)區(qū)域的金屬層，避免該區(qū)域的金屬層在后續(xù)的刻蝕工藝中被刻蝕掉。

通過光刻工藝對(duì)金屬層Au進(jìn)行加工，刻蝕金屬層Au，形成圖形結(jié)構(gòu)，圖形結(jié)構(gòu)包括金電阻和兩個(gè)金焊盤，其中一個(gè)金焊盤與金電阻的一端相連，另一個(gè)金焊盤與金電阻的另一端相連。最后，去除光刻膠。

金薄膜電阻為微米量級(jí)，測量時(shí)需采用探針形式，但在進(jìn)行溫度系數(shù)考核或施加周期性電流時(shí)，探針會(huì)因熱脹冷縮產(chǎn)生輕微位移，影響其穩(wěn)定性及準(zhǔn)確性，因此通過制作夾具，鍵合薄膜電阻與夾具的方式來完成最終驗(yàn)證電阻件。夾具由載體與PCB板組成，其中載體材料為黃銅，用以與控溫裝置接觸，PCB電路板中心留一個(gè)矩形通孔結(jié)構(gòu)用以放置金薄膜微電阻，電路板表面采用鍍金焊盤，鍍金焊盤的外邊緣焊接接線端子，鍍金焊盤與接線端子的數(shù)量都是4個(gè)，兩個(gè)作為電壓通路，兩個(gè)作為電流通路，驗(yàn)證件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 驗(yàn)證件結(jié)構(gòu)示意圖

用焊料將金薄膜微電阻牢固焊接在銅制載體上，采用半導(dǎo)體工藝中的鍵合工藝用金絲將電路板鍍金焊盤的內(nèi)邊緣與金薄膜微電阻上的金焊盤相連，完成最終驗(yàn)證件，實(shí)物如圖4所示。

圖4 驗(yàn)證件實(shí)物圖

2.3 驗(yàn)證過程

搭建驗(yàn)證件溫度定標(biāo)裝置，將驗(yàn)證電阻件緊密放置在高精度控溫平臺(tái)上，中間涂抹以導(dǎo)熱硅脂，保持良好的熱傳導(dǎo)，改變控溫平臺(tái)的溫度，用數(shù)字多用表電阻測量功能，四線電阻測量法監(jiān)測30～100℃驗(yàn)證電阻件的阻值。記錄電阻值與溫度數(shù)據(jù)，標(biāo)定阻值與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，考核出其溫度系數(shù)

α

；將驗(yàn)證電阻件放置在熱反射測溫系統(tǒng)的控溫平臺(tái)上，中間涂抹以導(dǎo)熱硅脂，控溫臺(tái)溫度設(shè)定為

T

。給驗(yàn)證電阻件施加周期性方波電流

I

，由于電壓表測量的電壓值在0.001V以上才具備較高的準(zhǔn)確度，因此，施加的電流的強(qiáng)度要求能夠使電阻件兩端產(chǎn)生0.001V以上的壓降，以保證電壓表測量的電壓值準(zhǔn)確。控制電阻件的溫度不高于300℃，以避免溫度過高破壞驗(yàn)證件金屬層與絕緣層之間的接觸效果。將電阻件溫度升高至穩(wěn)定的

T

，且呈現(xiàn)穩(wěn)定的周期性變化。用電壓表監(jiān)測電阻兩端的電壓

V

，根據(jù)歐姆定律計(jì)算出電阻加電前后的變化量△

R

如公式(2)計(jì)算。

(2)

式中：

I

——施加的周期性方波電流，A；

V

——是加上強(qiáng)度為

I

的電流后電阻兩端的電壓,V；

V

——加電流

I

之前電阻兩端的電壓,V；△

R

——加電前后的阻值變化量,Ω。用△

R

除以驗(yàn)證電阻件的溫度系數(shù)

α

，得到溫度的變化量△

T

，則可以求得

T

的標(biāo)準(zhǔn)值，如公式(3)計(jì)算。

(3)

式中：

α

——驗(yàn)證電阻件的溫度系數(shù)；

T

——控溫平臺(tái)溫度，℃；

T

——電阻溫度的標(biāo)準(zhǔn)值，℃。同時(shí)用熱反射測溫系統(tǒng)在470nm波長下測量驗(yàn)證電阻件的溫度

T

，將熱反射測溫系統(tǒng)測量的溫度值與計(jì)算得到的電阻溫度的標(biāo)準(zhǔn)值相減，得到熱反射測溫系統(tǒng)測溫準(zhǔn)確度評(píng)價(jià)指標(biāo)，誤差△，及完成熱反射測溫系統(tǒng)測溫準(zhǔn)確度的驗(yàn)證。如公式(4)計(jì)算。工作原理圖如圖5所示。

圖5 工作原理圖

Δ

=

T

-

T

(4)

式中：

T

——熱反射測溫系統(tǒng)測量結(jié)果，℃；

T

——電阻溫度的標(biāo)準(zhǔn)值，℃；△——測溫準(zhǔn)確度的誤差，℃。

3 驗(yàn)證結(jié)果及分析

3.1 驗(yàn)證結(jié)果

將制作好的驗(yàn)證電阻件放置在驗(yàn)證件溫度定標(biāo)裝置的控溫平臺(tái)上，中間涂抹以導(dǎo)熱硅脂，用四線電阻測量法監(jiān)測30～100℃驗(yàn)證電阻件的電阻值，數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 30～100℃溫度下電阻值Tab.1 Theresistanceat30～100℃寬度/μm溫度/℃電阻值/Ω253012.0374012.3815012.7246013.0657013.4068013.7469014.08310014.422

標(biāo)定阻值與溫度之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，考核出其溫度系數(shù)，溫度變化曲線及溫度變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 溫度變化曲線圖

溫度變化規(guī)律如式(5)計(jì)算：

Y

=0

.

0341

X

+11

.

019

(5)

式中：

X

——溫度，℃；

Y

——電阻標(biāo)準(zhǔn)值，Ω。

將驗(yàn)證電阻件放置在熱反射測溫系統(tǒng)控溫平臺(tái)上，中間涂抹以導(dǎo)熱硅脂，控溫臺(tái)溫度設(shè)定為30℃。給驗(yàn)證電阻件施加0.2A電流，熱反射測溫系統(tǒng)測溫結(jié)果如圖7所示。

圖7 0.2A電流下熱反射系統(tǒng)測溫結(jié)果

施加不同電流，加電前后電壓值，電阻溫度標(biāo)準(zhǔn)值及熱發(fā)射測溫系統(tǒng)測量的溫度值,誤差如表2所示。

表2 測溫?cái)?shù)據(jù)Tab.2 Temperaturedata電流值/A電壓值/V電阻值/Ω溫度標(biāo)準(zhǔn)值/℃系統(tǒng)測量溫度值/℃誤差/℃0.2012.489912.38840.1540.50.350.3013.94913.12061.659.71.90.4015.7314.28995.989.26.7

3.2 結(jié)果分析

由以上驗(yàn)證結(jié)果數(shù)據(jù)可知，通過熱電法計(jì)算出驗(yàn)證電阻件溫度值，與熱反射測溫系統(tǒng)測量的電阻件溫度值相比較，在低溫時(shí)數(shù)據(jù)顯示有著非常好的一致性，但在高溫時(shí)熱反射測溫系統(tǒng)測量溫度比實(shí)際溫度偏低。這是由于一般情況下都認(rèn)為熱反射率校準(zhǔn)系數(shù)C，即溫度與反射率的變化是一個(gè)常數(shù)，是線性的，但通過Assaad El Helou等研究表明，在固定的波長下仔細(xì)測量金在25℃～100℃之間的CT，發(fā)現(xiàn)該系數(shù)不是恒定的，是非線性的，該CT隨溫度的增加而逐漸降低，變化規(guī)律如圖8所示。

圖8 CTR變化規(guī)律

驗(yàn)證結(jié)果在高溫時(shí)與實(shí)際溫度偏差較大，與熱反射率校準(zhǔn)系數(shù)CT非線性有關(guān)，CT隨溫度的增加而逐漸降低，趨勢(shì)正好與實(shí)際驗(yàn)證結(jié)果數(shù)據(jù)相一致。說明此驗(yàn)證方法是準(zhǔn)確可靠的，后續(xù)將對(duì)測量高溫時(shí)的結(jié)果如何修正進(jìn)行研究。

4 結(jié)束語

本文提出了一種驗(yàn)證熱反射測溫系統(tǒng)測溫準(zhǔn)確度的驗(yàn)證方法，通過制作夾具，利用半導(dǎo)體工藝制備金薄膜電阻，鍵合薄膜電阻與夾具的方式研制出驗(yàn)證電阻件，通過搭建溫度定標(biāo)裝置對(duì)驗(yàn)證電阻件進(jìn)行溫度系數(shù)考核，利用熱電法計(jì)算出驗(yàn)證電阻件溫度值，與熱反射測溫系統(tǒng)測量的驗(yàn)證電阻件溫度值相比較，實(shí)現(xiàn)了對(duì)熱反射測溫系統(tǒng)測溫準(zhǔn)確度的驗(yàn)證。本文提出的熱反射測溫系統(tǒng)測溫準(zhǔn)確度驗(yàn)證方法，可以解決熱反射測溫系統(tǒng)測溫準(zhǔn)確度驗(yàn)證問題，保障了熱反射測系統(tǒng)的測溫準(zhǔn)確性，為設(shè)計(jì)、研發(fā)人員提供準(zhǔn)確可靠的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，提高了國產(chǎn)微波功率器件的質(zhì)量與可靠性。