热反射测温系统测温准确度验证方法研究

丁 晨 翟玉卫 刘 岩 郑世棋 吴爱华

(中国电子科技集团公司第十三研究所，石家庄 050051)

1 引 言

近年来随着国防科技的快速发展和武器装备性能的迅速提升，对于高频率、大功率微波功率器件的需求越来越凸显。对微波功率器件而言，得到其真实工作条件下的结温特性最为关键。在几种用于微波功率器件温度检测的光学检测手段中，热反射测温技术拥有最高的空间分辨率、较高的测量速度，是一种经济有效、非接触、非破坏性的测量稳态和瞬态表面温度的光学方法。相对于传统的微电子器件温度检测技术，热反射测温最大的优势是具备优越的空间分辨力，因此热反射测温系统在高集成、大功率器件的温度检测方面得到广泛应用。

为了更加准确地测量微波功率器件的结温，对热反射测温系统测温准确度进行验证，保证测温系统的测温准确性是非常有必要的。目前，对于热反射测温系统准确性的验证一般采用典型的微电子器件进行验证。例如，QFI公司利用多晶硅电阻验证测温准确度，给多晶硅电阻施加一个周期性变化的电压，使其温度周期性变化，多晶硅电阻中心下预先埋设一个二极管，作为温度传感器提供标准温度。但是这种方法由于多晶硅电阻对可见光具有一定的透射性，容易导致验证结果不准确，并且，多晶硅的最佳检测波长较长，空间分辨力较低，不能准确的反应热反射测温系统高空间分辨力下的准确性。Pavel L.Komarov等提出利用电子探针连接纯金微电阻来进行验证，但没有对纯金微电阻进行温度系数考核，只使用其理论值进行计算电阻的温度变化，且只验证了一个温度点，在验证过程中使用探针连接，探针会随着温度变化产生位移，影响其结果的准确性。针对以上问题，本文采用以Si为衬底，利用半导体工艺制备金薄膜电阻，通过制作夹具，键合薄膜电阻与夹具的方式研制出验证电阻件并对其进行温度系数考核，通过热电法，施加周期性电流引起的电阻变化来确定温度变化，并将其与热反射方法得到的结果进行比较，从而验证热反射测温系统的测温准确度。

2 验证方法

2.1 热反射测温技术的原理

当可见光照射在某种材料表面时，材料对可见光的反射率随材料温度变化而变化。且材料对可见光的反射率变化量与材料表面的温度变化量呈线性关系如公式(1)计算。

(1)

式中：△

R

——反射率变化量；

R

average——反射率的均值；△

T

——被测材料温度变化量，K；CT——热反射率校准系数，K。利用上述原理，通过测量反射率的变化量△

R

计算得到材料表面温度的变化量△

T

的技术称为热反射测温技术或光反射测温技术。

相对于传统的微电子器件温度检测技术，热反射测温最大的优势是具备优越的空间分辨力。理论上，热反射测温系统最高空间分辨力可以达到0.3μm，远高于显微红外测温仪的1.9μm，即使在实际的微电子器件温度检测中也可以达到1μm的空间分辨力。由于微电子器件的温度与可靠性密切相关，热反射测温系统在高空间分辨力下测量结果的准确度尤为重要，因此对热反射测温系统的测温准确度进行验证，保证测温系统的测温准确性是非常有必要的。

2.2 验证件研制

为了实现对热反射测温系统测温准确度的验证，提出了一种用金薄膜微电阻作为验证电阻件对其进行验证的方法，并搭建了相应的验证装置。

选择Si作为衬底，表面采用金材料生长工艺制作一个金薄膜微电阻。为了在有限的面积下实现较高的阻值，且保持电阻各个部位的温度尽可能的一致，需要进行图形设计。由于在相同加热电流的情况下，电阻的阻值越大，电阻两端的电压越高，电压越高测量准确度越高，即电阻的阻值越大，测量准确度越高，因此，为了在有限的面积上实现较高的电阻阻值，金电阻的图形设计采用“蛇”形结构。为了满足验证热反射测温装置准确度的需要，电阻的宽度在1μm～50μm之间。其中金焊盘用于给电阻加电。焊盘的长宽比要远小于电阻的长宽比，一般小于1%。这样可以尽量降低焊盘电阻对总电阻的影响，使能量集中耗散在微电阻上，金薄膜电阻表面图形结构如图1所示。

图1 金薄膜微电阻表面图形结构

采用半导体工艺制作金薄膜微电阻，使用Si材料作为衬底，在其上生长绝缘层，在绝缘层上制作金材料，然后刻蚀图形露出绝缘层，从而得到微电阻结构，其中金属层应具有一定的厚度，保证可见光无法穿透。

首先在衬底上生长绝缘层，衬底为Si衬底，绝缘层为SiO层，通过热氧化工艺在Si衬底上生长SiO层，作为绝缘层及金属生长层。SiO层的厚度为100nm，SiO层太厚热氧化时间长，容易对衬底造成损伤，太薄则不能有效绝缘，绝缘的目的是电流只从金微电阻上通过。

在绝缘层上生长金属层。金属层为Au，通过溅射工艺在绝缘层SiO表面生长Au金属层。Au金属层的厚度为100nm。Au金属层不能太厚，一方面节约成本，另一方面，较厚的Au金属层需要较长时间的溅射工艺，控制Au金属层的厚度防止溅射工艺中长时间高温对衬底造成损伤。金薄膜微电阻的结构如图2所示。

图2 金薄膜微电阻正向剖面图

通过光刻工艺在金属层Au表面形成图形结构的区域上覆盖光刻胶，光刻胶保护形成图形结构区域的金属层，避免该区域的金属层在后续的刻蚀工艺中被刻蚀掉。

通过光刻工艺对金属层Au进行加工，刻蚀金属层Au，形成图形结构，图形结构包括金电阻和两个金焊盘，其中一个金焊盘与金电阻的一端相连，另一个金焊盘与金电阻的另一端相连。最后，去除光刻胶。

金薄膜电阻为微米量级，测量时需采用探针形式，但在进行温度系数考核或施加周期性电流时，探针会因热胀冷缩产生轻微位移，影响其稳定性及准确性，因此通过制作夹具，键合薄膜电阻与夹具的方式来完成最终验证电阻件。夹具由载体与PCB板组成，其中载体材料为黄铜，用以与控温装置接触，PCB电路板中心留一个矩形通孔结构用以放置金薄膜微电阻，电路板表面采用镀金焊盘，镀金焊盘的外边缘焊接接线端子，镀金焊盘与接线端子的数量都是4个，两个作为电压通路，两个作为电流通路，验证件结构示意图如图3所示。

图3 验证件结构示意图

用焊料将金薄膜微电阻牢固焊接在铜制载体上，采用半导体工艺中的键合工艺用金丝将电路板镀金焊盘的内边缘与金薄膜微电阻上的金焊盘相连，完成最终验证件，实物如图4所示。

图4 验证件实物图

2.3 验证过程

搭建验证件温度定标装置，将验证电阻件紧密放置在高精度控温平台上，中间涂抹以导热硅脂，保持良好的热传导，改变控温平台的温度，用数字多用表电阻测量功能，四线电阻测量法监测30～100℃验证电阻件的阻值。记录电阻值与温度数据，标定阻值与温度之间的对应关系，考核出其温度系数

α

；将验证电阻件放置在热反射测温系统的控温平台上，中间涂抹以导热硅脂，控温台温度设定为

T

。给验证电阻件施加周期性方波电流

I

，由于电压表测量的电压值在0.001V以上才具备较高的准确度，因此，施加的电流的强度要求能够使电阻件两端产生0.001V以上的压降，以保证电压表测量的电压值准确。控制电阻件的温度不高于300℃，以避免温度过高破坏验证件金属层与绝缘层之间的接触效果。将电阻件温度升高至稳定的

T

，且呈现稳定的周期性变化。用电压表监测电阻两端的电压

V

，根据欧姆定律计算出电阻加电前后的变化量△

R

如公式(2)计算。

(2)

式中：

I

——施加的周期性方波电流，A；

V

——是加上强度为

I

的电流后电阻两端的电压,V；

V

——加电流

I

之前电阻两端的电压,V；△

R

——加电前后的阻值变化量,Ω。用△

R

除以验证电阻件的温度系数

α

，得到温度的变化量△

T

，则可以求得

T

的标准值，如公式(3)计算。

(3)

式中：

α

——验证电阻件的温度系数；

T

——控温平台温度，℃；

T

——电阻温度的标准值，℃。同时用热反射测温系统在470nm波长下测量验证电阻件的温度

T

，将热反射测温系统测量的温度值与计算得到的电阻温度的标准值相减，得到热反射测温系统测温准确度评价指标，误差△，及完成热反射测温系统测温准确度的验证。如公式(4)计算。工作原理图如图5所示。

图5 工作原理图

Δ

=

T

-

T

(4)

式中：

T

——热反射测温系统测量结果，℃；

T

——电阻温度的标准值，℃；△——测温准确度的误差，℃。

3 验证结果及分析

3.1 验证结果

将制作好的验证电阻件放置在验证件温度定标装置的控温平台上，中间涂抹以导热硅脂，用四线电阻测量法监测30～100℃验证电阻件的电阻值，数据如表1所示。

表1 30～100℃温度下电阻值Tab.1 Theresistanceat30～100℃宽度/μm温度/℃电阻值/Ω253012.0374012.3815012.7246013.0657013.4068013.7469014.08310014.422

标定阻值与温度之间的对应关系，考核出其温度系数，温度变化曲线及温度变化规律如图6所示。

图6 温度变化曲线图

温度变化规律如式(5)计算：

Y

=0

.

0341

X

+11

.

019

(5)

式中：

X

——温度，℃；

Y

——电阻标准值，Ω。

将验证电阻件放置在热反射测温系统控温平台上，中间涂抹以导热硅脂，控温台温度设定为30℃。给验证电阻件施加0.2A电流，热反射测温系统测温结果如图7所示。

图7 0.2A电流下热反射系统测温结果

施加不同电流，加电前后电压值，电阻温度标准值及热发射测温系统测量的温度值,误差如表2所示。

表2 测温数据Tab.2 Temperaturedata电流值/A电压值/V电阻值/Ω温度标准值/℃系统测量温度值/℃误差/℃0.2012.489912.38840.1540.50.350.3013.94913.12061.659.71.90.4015.7314.28995.989.26.7

3.2 结果分析

由以上验证结果数据可知，通过热电法计算出验证电阻件温度值，与热反射测温系统测量的电阻件温度值相比较，在低温时数据显示有着非常好的一致性，但在高温时热反射测温系统测量温度比实际温度偏低。这是由于一般情况下都认为热反射率校准系数C，即温度与反射率的变化是一个常数，是线性的，但通过Assaad El Helou等研究表明，在固定的波长下仔细测量金在25℃～100℃之间的CT，发现该系数不是恒定的，是非线性的，该CT随温度的增加而逐渐降低，变化规律如图8所示。

图8 CTR变化规律

验证结果在高温时与实际温度偏差较大，与热反射率校准系数CT非线性有关，CT随温度的增加而逐渐降低，趋势正好与实际验证结果数据相一致。说明此验证方法是准确可靠的，后续将对测量高温时的结果如何修正进行研究。

4 结束语

本文提出了一种验证热反射测温系统测温准确度的验证方法，通过制作夹具，利用半导体工艺制备金薄膜电阻，键合薄膜电阻与夹具的方式研制出验证电阻件，通过搭建温度定标装置对验证电阻件进行温度系数考核，利用热电法计算出验证电阻件温度值，与热反射测温系统测量的验证电阻件温度值相比较，实现了对热反射测温系统测温准确度的验证。本文提出的热反射测温系统测温准确度验证方法，可以解决热反射测温系统测温准确度验证问题，保障了热反射测系统的测温准确性，为设计、研发人员提供准确可靠的结温数据，提高了国产微波功率器件的质量与可靠性。