微波功率器件正向着大功率、高频的方向发展,器件的工作温度或者结温越来越高,器件热特性(热阻、结温、接触热阻及器件各层的热阻和热容)分析的重要性也日益凸显。为了有效地检测和分析微波功率器件的热特性,国际固态物理委员会(JEDEC)制订了JESD51系列的国际标准,用以指导对微波功率器件的温度、热阻及结构特性的检测和分析^{[1, 2]}。

电学法是器件热分析的传统方法,利用器件电参数的温度特性测量器件温度,用于热阻^[3]等特性分析。在国际标准中,为了实现对热阻等参数的测量,规定需要获取器件的降温曲线,并采用基于热阻抗原理的结构函数方法对曲线进行分析以获得器件相关的热特性参数。现有的电学法热阻测试仪,如T3ster和Phase11等都采用了降温曲线的方法,该方法也被美国等多个国家的标准所采纳^{[4, 5, 6]}。但是,由于电学法热阻测试仪的测量电路与器件的工作电路相连接,会影响器件的真实工作条件,导致测量结果的偏差。并且电学法热阻测试仪在GaN HEMT等新兴器件的检测方面还不够成熟,无法满足这些器件的检测需要,因此电学法的应用受到了一定限制。

显微红外热像仪将红外测温技术应用于微波功率器件温度检测,能够在不影响器件工作状态的条件下测量器件温度,逐渐在微波功率器件热分析领域推广普及^{[7, 8, 9]}。但是,目前在半导体行业应用的显微红外热像仪不具备降温曲线的测量能力,无法满足JEDEC标准的要求,无法有效获得器件各层材料的热容、热阻及总体热阻等关键热特性参数的信息。因此,本文在现有具备高速测量能力的瞬态红外设备基础上,开发了一套数据采集及处理系统,以获取器件的降温曲线,为微波功率器件尤其是新兴GaN类器件的热特性检测和可靠性分析提供参考。

现有的瞬态红外设备提供高速测温功能,但其只适用于脉冲工作条件下器件瞬态温度特性的测量,与测量降温曲线的需求差异较大,无法直接应用于器件降温曲线的测量。表 1列举了两种应用对设备要求的主要差异。

表 1 (Table 1)

表 1 脉冲温度与降温曲线测量主要差异 Table 1 Differences between pulsed temperature and cooling curve measurement 测量指标 脉冲工作温度特性测量 降温曲线测量 被测器件工作模式 周期重复 单次阶跃 单次测量时长 毫秒以下 数十至数百秒 采样时间间隔 恒定 指数间隔

表 1 脉冲温度与降温曲线测量主要差异 Table 1 Differences between pulsed temperature and cooling curve measurement

瞬态红外设备的基本构成如图 1所示,控温平台根据红外测温需要调整被测器件的基础温度,伺服系统承载显微红外光学系统完成位置调整和对焦,光学系统将捕捉到的红外辐射传输至高速红外探测器,后者将红外信号转换为电信号,经前置放大后由工控机的数据采集卡采集,并进行后续的数据处理、分析、显示和储存。此外,工控机还负责控制伺服系统和控温平台完成用户要求的动作。

图 1

Fig. 1

图 1 瞬态红外设备基本构成 Fig. 1 Block diagram of transient infrared equipment

通过前面的比较可以看出,测量降温曲线的需求差异主要体现在数据处理部分,因此我们在现有瞬态红外设备的硬件基础上进行改造,用自行开发的数据采集和处理系统取代设备原有的配套工控机的数据采集和数据处理部分,设计新的数据处理算法和测温流程以适应降温曲线测量的需要。

我们采用了高性能的数据采集卡采集高速红外探测器输出并经过放大后的电信号,将其转换为数字信号后交由软件处理。测温流程如图 2所示,首先通过测量或者用户直接输入发射率,然后进行背景辐射测量获得背景辐射数据用于修正,接下来测量目标红外辐射强度获得电平数据,并利用之前获得的背景辐射数据进行修正,修正后的数据根据目标发射率和预先得到的电平-温度关系数据进行换算,即可得到温度数据,最后对温度数据进行处理。

图 2

Fig. 2

图 2 测温流程 Fig. 2 Procedure of temperature measurement

根据斯蒂芬-玻尔兹曼公式,物体在一定温度T下,单位面积、单位时间内所发射的全部波长的总辐出度为

发射率ε定义为物体辐出度M与同温度下黑体辐出度M₀之比,即

由于仪器的响应电信号与被测物体的辐出度成正比,因此可以在参考温度下测量目标红外辐射得到电平值V,并在相同温度下测量黑体红外辐射得到电平值V₀,两者之比即为目标发射率,因此式(2)可以表示为

电平-温度关系数据是将修正后的电平数据换算为温度的依据,该数据可以通过在一系列标准温度下测量黑体得到。为提高效率,电平-温度关系数据预先获得并存储在文件中,软件在启动后读取该文件,并利用其中数据通过拟合算法生成电平-温度函数,测温过程中直接利用函数关系计算出对应温度值。

数据处理部分主要包括数字滤波、块平均和下采样,其中块平均的数据块大小以及下采样的采样率可以根据需要逐段调整。由于数据采集卡在改变采样率时需要重新初始化,在一个record的采样过程中不能更改,而初始化过程的时间不能严格确定,因而我们令数据采集卡运行在固定的高采样率下,通过块平均和下采样来控制输出的数据量。在一次降温过程(对应于一个record)中,初始阶段曲线比较陡峭,需要高采样率分辨曲线的细节,此时我们只进行块平均来抑制噪声,而不进行下采样;随着时间推进,曲线会逐渐趋于平缓,同时我们会引入下采样并逐渐降低采样率,从而在保持足够时间分辨率的前提下有效降低数据量。

软件部分利用LabVIEW开发,包括数据采集卡的控制和数据读取、数据处理和储存以及用户界面,软件主要模块功能关系如图 3所示,用户界面如图 4所示。

图 3

Fig. 3

图 3 软件主要模块功能 Fig. 3 Block diagram of the software

图 4

Fig. 4

图 4 用户界面 Fig. 4 User interface of the software

在系统开发调试完成后,对标准面源黑体的温度进行测量,以验证系统测温的准确性。实验结果如图 5所示,实验数据点以十字表示,实线是实测温度等于设定温度的参考线,实测温度与设定温度的最大偏差为0.7 ℃(出现在95 ℃和105 ℃处)。

图 5

Fig. 5

图 5 测温准确度验证实验结果 Fig. 5 Result of temperature measurement accuracy experiment

我们还与瞬态红外设备的测量结果进行了对比,来进一步验证所开发的系统的有效性。由于瞬态红外设备只能测量稳定的周期信号,我们在自行开发的系统中也增加了周期测量模式,以方便对比。

实验装置如图 6所示,被测目标依然为面源黑体,在面源黑体与物镜之间插入光学斩波器,通过调制红外信号模拟辐射温度的变化,从而验证自行开发系统在测量变化信号时的性能。

图 6

Fig. 6

图 6 周期信号测量验证实验装置 Fig. 6 Setup of periodic temperature measurement

光学斩波器调制频率设定为1 kHz,保持实验条件不变,先后使用瞬态红外设备原有系统和自行开发的系统测量,实验结果如图 7所示,图 7(a)为瞬态红外设备测量的结果,图 7(b)为自行开发系统的测量结果,其中方波为驱动光学斩波器的同步信号。可以看到,两者均能够正常测量周期变化的信号,周期为1 ms,与斩波器设定吻合。

图 7

Fig. 7

图 7 周期信号测量验证实验结果 Fig. 7 Result of periodic temperature measurement experiment

选用RFMD公司的一款GaN HEMT器件(型号为RF3928)作为被测件进行降温曲线测量实验。我们通过调整栅压控制器件的功率,得到若干不同初始状态下的降温曲线,具体实验条件如表 2所示。

表 2 (Table 2)

表 2 被测器件实验条件 Table 2 Condition applied on device under test 序号 栅压/V 漏压/V 漏流/A 功率/W A 3.291 28 0.736 20.608 B 3.321 28 0.606 16.968 C 3.351 28 0.507 14.196 D 3.391 28 0.402 11.256

表 2 被测器件实验条件 Table 2 Condition applied on device under test

设定系统采样率为10 MS/s,平均块为1 000个样值,此时能够分辨的最小时间间隔为100 μs。我们给被测器件施加表 2所示实验条件,待器件状态稳定后,撤掉漏压并捕捉器件的降温曲线,测量时间为120 s,实验结果如图 8所示。

图 8

Fig. 8

图 8 不同实验条件下器件的降温曲线 Fig. 8 Cooling curve obtained under varied conditions

图 8横轴为对数形式的时间轴,纵轴为温度,从上到下4条曲线依次对应表 2中4种实验条件。可以看出,不同耗散功率下器件的初始温度不同,但是曲线形状基本相同,都存在一段比较迅速的降温过程,然后降温速度变缓并最终趋于同一个最终温度。

本文实现了基于红外测温技术的器件降温曲线的测量,测量的降温曲线能够满足国际标准对器件热特性分析的要求。根据降温曲线测量的需要,利用瞬态红外设备的硬件基础,通过自行开发的数据采集系统和数据处理软件实现了降温曲线测量功能。通过实验验证了系统的有效性和准确性,并成功获取了GaN HEMT的降温曲线。由于红外测温技术不会受器件的种类、电路连接及工作条件的影响,本系统可以适用于任意器件降温曲线的测量。根据JESD51系列国际标准,获得的降温曲线可以采用与传统电学法相同的技术进行分析,得到反映器件纵向热特性的结构函数。该技术适用于任何种类的微波功率器件的降温曲线测量,应用前景广泛。