熱反射測溫系統測溫準確度驗證方法研究

丁 晨 翟玉衛 劉 巖 鄭世棋 吳愛華

(中國電子科技集團公司第十三研究所，石家莊 050051)

1 引 言

近年來隨著國防科技的快速發展和武器裝備性能的迅速提升，對于高頻率、大功率微波功率器件的需求越來越凸顯。對微波功率器件而言，得到其真實工作條件下的結溫特性最為關鍵。在幾種用于微波功率器件溫度檢測的光學檢測手段中，熱反射測溫技術擁有最高的空間分辨率、較高的測量速度，是一種經濟有效、非接觸、非破壞性的測量穩態和瞬態表面溫度的光學方法。相對于傳統的微電子器件溫度檢測技術，熱反射測溫最大的優勢是具備優越的空間分辨力，因此熱反射測溫系統在高集成、大功率器件的溫度檢測方面得到廣泛應用。

為了更加準確地測量微波功率器件的結溫，對熱反射測溫系統測溫準確度進行驗證，保證測溫系統的測溫準確性是非常有必要的。目前，對于熱反射測溫系統準確性的驗證一般采用典型的微電子器件進行驗證。例如，QFI公司利用多晶硅電阻驗證測溫準確度，給多晶硅電阻施加一個周期性變化的電壓，使其溫度周期性變化，多晶硅電阻中心下預先埋設一個二極管，作為溫度傳感器提供標準溫度。但是這種方法由于多晶硅電阻對可見光具有一定的透射性，容易導致驗證結果不準確，并且，多晶硅的最佳檢測波長較長，空間分辨力較低，不能準確的反應熱反射測溫系統高空間分辨力下的準確性。Pavel L.Komarov等提出利用電子探針連接純金微電阻來進行驗證，但沒有對純金微電阻進行溫度系數考核，只使用其理論值進行計算電阻的溫度變化，且只驗證了一個溫度點，在驗證過程中使用探針連接，探針會隨著溫度變化產生位移，影響其結果的準確性。針對以上問題，本文采用以Si為襯底，利用半導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證電阻件并對其進行溫度系數考核，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果進行比較，從而驗證熱反射測溫系統的測溫準確度。

2 驗證方法

2.1 熱反射測溫技術的原理

當可見光照射在某種材料表面時，材料對可見光的反射率隨材料溫度變化而變化。且材料對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系如公式(1)計算。

(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——熱反射率校準系數，K。利用上述原理，通過測量反射率的變化量△

R

計算得到材料表面溫度的變化量△

T

的技術稱為熱反射測溫技術或光反射測溫技術。

相對于傳統的微電子器件溫度檢測技術，熱反射測溫最大的優勢是具備優越的空間分辨力。理論上，熱反射測溫系統最高空間分辨力可以達到0.3μm，遠高于顯微紅外測溫儀的1.9μm，即使在實際的微電子器件溫度檢測中也可以達到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，熱反射測溫系統在高空間分辨力下測量結果的準確度尤為重要，因此對熱反射測溫系統的測溫準確度進行驗證，保證測溫系統的測溫準確性是非常有必要的。

2.2 驗證件研制

為了實現對熱反射測溫系統測溫準確度的驗證，提出了一種用金薄膜微電阻作為驗證電阻件對其進行驗證的方法，并搭建了相應的驗證裝置。

選擇Si作為襯底，表面采用金材料生長工藝制作一個金薄膜微電阻。為了在有限的面積下實現較高的阻值，且保持電阻各個部位的溫度盡可能的一致，需要進行圖形設計。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，電壓越高測量準確度越高，即電阻的阻值越大，測量準確度越高，因此，為了在有限的面積上實現較高的電阻阻值，金電阻的圖形設計采用“蛇”形結構。為了滿足驗證熱反射測溫裝置準確度的需要，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構如圖1所示。

圖1 金薄膜微電阻表面圖形結構

采用半導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，從而得到微電阻結構，其中金屬層應具有一定的厚度，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層太厚熱氧化時間長，容易對襯底造成損傷，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，一方面節約成本，另一方面，較厚的Au金屬層需要較長時間的濺射工藝，控制Au金屬層的厚度防止濺射工藝中長時間高溫對襯底造成損傷。金薄膜微電阻的結構如圖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表面形成圖形結構的區域上覆蓋光刻膠，光刻膠保護形成圖形結構區域的金屬層，避免該區域的金屬層在后續的刻蝕工藝中被刻蝕掉。

通過光刻工藝對金屬層Au進行加工，刻蝕金屬層Au，形成圖形結構，圖形結構包括金電阻和兩個金焊盤，其中一個金焊盤與金電阻的一端相連，另一個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，測量時需采用探針形式，但在進行溫度系數考核或施加周期性電流時，探針會因熱脹冷縮產生輕微位移，影響其穩定性及準確性，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電路板中心留一個矩形通孔結構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量都是4個，兩個作為電壓通路，兩個作為電流通路，驗證件結構示意圖如圖3所示。

圖3 驗證件結構示意圖

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

圖4 驗證件實物圖

2.3 驗證過程

搭建驗證件溫度定標裝置，將驗證電阻件緊密放置在高精度控溫平臺上，中間涂抹以導熱硅脂，保持良好的熱傳導，改變控溫平臺的溫度，用數字多用表電阻測量功能，四線電阻測量法監測30～100℃驗證電阻件的阻值。記錄電阻值與溫度數據，標定阻值與溫度之間的對應關系，考核出其溫度系數

α

；將驗證電阻件放置在熱反射測溫系統的控溫平臺上，中間涂抹以導熱硅脂，控溫臺溫度設定為

T

。給驗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確度，因此，施加的電流的強度要求能夠使電阻件兩端產生0.001V以上的壓降，以保證電壓表測量的電壓值準確。控制電阻件的溫度不高于300℃，以避免溫度過高破壞驗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定的

T

，且呈現穩定的周期性變化。用電壓表監測電阻兩端的電壓

V

，根據歐姆定律計算出電阻加電前后的變化量△

R

如公式(2)計算。

(2)

式中：

I

——施加的周期性方波電流，A；

V

——是加上強度為

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

除以驗證電阻件的溫度系數

α

，得到溫度的變化量△

T

，則可以求得

T

的標準值，如公式(3)計算。

(3)

式中：

α

——驗證電阻件的溫度系數；

T

——控溫平臺溫度，℃；

T

——電阻溫度的標準值，℃。同時用熱反射測溫系統在470nm波長下測量驗證電阻件的溫度

T

，將熱反射測溫系統測量的溫度值與計算得到的電阻溫度的標準值相減，得到熱反射測溫系統測溫準確度評價指標，誤差△，及完成熱反射測溫系統測溫準確度的驗證。如公式(4)計算。工作原理圖如圖5所示。

圖5 工作原理圖

Δ

=

T

-

T

(4)

式中：

T

——熱反射測溫系統測量結果，℃；

T

——電阻溫度的標準值，℃；△——測溫準確度的誤差，℃。

3 驗證結果及分析

3.1 驗證結果

將制作好的驗證電阻件放置在驗證件溫度定標裝置的控溫平臺上，中間涂抹以導熱硅脂，用四線電阻測量法監測30～100℃驗證電阻件的電阻值，數據如表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

標定阻值與溫度之間的對應關系，考核出其溫度系數，溫度變化曲線及溫度變化規律如圖6所示。

圖6 溫度變化曲線圖

溫度變化規律如式(5)計算：

Y

=0

.

0341

X

+11

.

019

(5)

式中：

X

——溫度，℃；

Y

——電阻標準值，Ω。

將驗證電阻件放置在熱反射測溫系統控溫平臺上，中間涂抹以導熱硅脂，控溫臺溫度設定為30℃。給驗證電阻件施加0.2A電流，熱反射測溫系統測溫結果如圖7所示。

圖7 0.2A電流下熱反射系統測溫結果

施加不同電流，加電前后電壓值，電阻溫度標準值及熱發射測溫系統測量的溫度值,誤差如表2所示。

表2 測溫數據Tab.2 Temperaturedata電流值/A電壓值/V電阻值/Ω溫度標準值/℃系統測量溫度值/℃誤差/℃0.2012.489912.38840.1540.50.350.3013.94913.12061.659.71.90.4015.7314.28995.989.26.7

3.2 結果分析

由以上驗證結果數據可知，通過熱電法計算出驗證電阻件溫度值，與熱反射測溫系統測量的電阻件溫度值相比較，在低溫時數據顯示有著非常好的一致性，但在高溫時熱反射測溫系統測量溫度比實際溫度偏低。這是由于一般情況下都認為熱反射率校準系數C，即溫度與反射率的變化是一個常數，是線性的，但通過Assaad El Helou等研究表明，在固定的波長下仔細測量金在25℃～100℃之間的CT，發現該系數不是恒定的，是非線性的，該CT隨溫度的增加而逐漸降低，變化規律如圖8所示。

圖8 CTR變化規律

驗證結果在高溫時與實際溫度偏差較大，與熱反射率校準系數CT非線性有關，CT隨溫度的增加而逐漸降低，趨勢正好與實際驗證結果數據相一致。說明此驗證方法是準確可靠的，后續將對測量高溫時的結果如何修正進行研究。

4 結束語

本文提出了一種驗證熱反射測溫系統測溫準確度的驗證方法，通過制作夾具，利用半導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證電阻件，通過搭建溫度定標裝置對驗證電阻件進行溫度系數考核，利用熱電法計算出驗證電阻件溫度值，與熱反射測溫系統測量的驗證電阻件溫度值相比較，實現了對熱反射測溫系統測溫準確度的驗證。本文提出的熱反射測溫系統測溫準確度驗證方法，可以解決熱反射測溫系統測溫準確度驗證問題，保障了熱反射測系統的測溫準確性，為設計、研發人員提供準確可靠的結溫數據，提高了國產微波功率器件的質量與可靠性。