韓 偉， 劉 巖， 杜 蕾， 鄭世棋， 翟玉衛(wèi)， 梁法國(guó)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司 第十三研究所，河北 石家莊 050051)

1 引 言

近年來(lái)，半導(dǎo)體器件、印刷電路板和功率器件等電子器件發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，在很多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。這些電子器件的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)的性能，因此，其性能的可靠性起到了很重要的作用。其中工作結(jié)溫直接影響電子器件的可靠性，而器件間的連接點(diǎn)只有微米級(jí)，常規(guī)的檢測(cè)手段受到了極大的限制，有時(shí)甚至無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)微米量級(jí)器件測(cè)溫。為了克服常規(guī)電路故障檢測(cè)方法的不足，非接觸式的測(cè)試方法受到了廣泛關(guān)注[1～4],其中電路故障的紅外熱像診斷具有檢測(cè)速度快、費(fèi)用低、通用性強(qiáng)、故障檢出率和隔離率高、操作簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)。

在測(cè)量半導(dǎo)體器件溫度時(shí)，由于器件的結(jié)構(gòu)較小，一般采用具備高空間分辨力的顯微紅外熱像儀。但是它在顯示器上所表現(xiàn)出來(lái)的圖像只是被測(cè)物體表面輻射溫度的分布,并不是真實(shí)溫度的分布。物體表面輻射溫度和真實(shí)溫度的分布偏差與發(fā)射率有關(guān)。目前針對(duì)發(fā)射率的測(cè)量方法及發(fā)射率引起的誤差已有報(bào)道，余時(shí)帆等提出了關(guān)于固定發(fā)射率工作用輻射溫度計(jì)校準(zhǔn)方法的研究[5]；邵春滕建立了激光積分球反射計(jì)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量了集成黑體發(fā)射率[6]；王則瑤等提出了基于高發(fā)射率靶標(biāo)的物體表面溫度快速精確測(cè)量研究[7]；沈久利等提出了不同發(fā)射率下紅外熱圖像的非穩(wěn)態(tài)場(chǎng)測(cè)量研究[8]。然而針對(duì)半導(dǎo)體材料和金屬材料發(fā)射率對(duì)顯微紅外測(cè)溫結(jié)果影響的研究尚未見(jiàn)報(bào)道。在用顯微紅外熱像儀測(cè)黑體時(shí)，黑體發(fā)射率可近似為1，其測(cè)量的溫度和實(shí)際溫度基本相同，但是半導(dǎo)體器件表面材料以半導(dǎo)體和金屬為主，發(fā)射率較低，特別是金屬材料，發(fā)射率僅為0.2左右，用顯微紅外熱像儀在實(shí)際測(cè)量半導(dǎo)體器件結(jié)溫時(shí)，可能測(cè)得的溫度與真實(shí)溫度有偏差。針對(duì)這一問(wèn)題，本文用半導(dǎo)體器件常用的GaAs、Au材料制作了一種帶鉑電阻傳感器的靶標(biāo)作為被測(cè)件，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)證明發(fā)射率對(duì)顯微紅外熱像儀測(cè)溫準(zhǔn)確度的影響。

2 顯微紅外熱像儀測(cè)溫中發(fā)射率的影響

顯微紅外熱像儀，其接收到的總輻射量可表示為[9]：

(1)

式中：φs為顯微紅外熱像儀對(duì)接收到的輻射能量的響應(yīng)；ε為被測(cè)件發(fā)射率；Q為熱像儀對(duì)一定溫度和波長(zhǎng)λ下的黑體輻射量的響應(yīng)；Ts為被測(cè)件溫度；r為被測(cè)件反射率；Ta為環(huán)境溫度；Qf為熱像儀對(duì)本身雜散輻射的響應(yīng)。

對(duì)于微電子器件顯微紅外測(cè)試，國(guó)際上一般采用具備發(fā)射率測(cè)量功能的顯微紅外熱像儀[7]。這主要是由于，發(fā)射率實(shí)時(shí)測(cè)量法能夠最有效地消除環(huán)境輻射的干擾，實(shí)時(shí)測(cè)量得到被測(cè)件表面材料的發(fā)射率;相對(duì)于常規(guī)熱像儀采用經(jīng)驗(yàn)值來(lái)設(shè)定發(fā)射率的方法，發(fā)射率測(cè)量功能更加準(zhǔn)確和有效，因?yàn)榘雽?dǎo)體器件表面材料與常規(guī)的材料結(jié)構(gòu)是不同的，很難用經(jīng)驗(yàn)值有效估計(jì)。

根據(jù)已知報(bào)道[10～15]，顯微紅外熱像儀采用的發(fā)射率測(cè)量方法為：顯微紅外熱像儀通常有一個(gè)背景輻射修正過(guò)程，該過(guò)程就是需要得到一個(gè)等同于環(huán)境溫度的黑體發(fā)射源的輻射量；通過(guò)模擬等同于環(huán)境溫度的黑體，結(jié)合相應(yīng)的軟件，顯微紅外熱像儀將等于環(huán)境溫度Ta的黑體輻射φa和熱像儀內(nèi)部雜散輻射Qf作為1個(gè)固定量φa0，從接收到的總輻射量φs中減去得到顯微紅外熱像儀的有效響應(yīng)。固定量φa0表示為：

(2)

Ts為選取的固定溫度。對(duì)處于溫度Ts下黑體的響應(yīng)φs0為：

(3)

此時(shí)，理想狀態(tài)下發(fā)射率ε可由式(2)～式(4)運(yùn)算得到[16]：

(4)

這是在理想狀態(tài)下顯微紅外熱像儀計(jì)算出的發(fā)射率ε，但實(shí)際情況下很難實(shí)現(xiàn)完全理想的黑體，非理想狀態(tài)可能會(huì)引入額外的干擾輻射φn。此時(shí)顯微紅外熱像儀的有效響應(yīng)為：

(5)

實(shí)際發(fā)射率ε′的計(jì)算式為：

(6)

式中：φn1為測(cè)量過(guò)程中由于背景修正不完善造成的誤差；φn2為熱像儀自校準(zhǔn)過(guò)程背景輻射修正不完善造成的誤差。φn1和φn2可以假設(shè)成近似的φn。對(duì)式(7)進(jìn)行變換，得到：

(7)

φn是固定的量值，ε≤1，由式(7)可以得知實(shí)際計(jì)算出的發(fā)射率ε′比物體真實(shí)發(fā)射率ε偏小。本文假設(shè)ε′≈0.9ε進(jìn)行理論分析。

顯微紅外熱像儀一般都不是全波長(zhǎng)測(cè)溫，其敏感的紅外輻射只在某一個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)，因此，幾乎所有的顯微紅外熱像儀都不能?chē)?yán)格依據(jù)黑體輻射定律來(lái)結(jié)算溫度。其溫度測(cè)量一般取決于儀器出廠(chǎng)時(shí)設(shè)定的標(biāo)定曲線(xiàn)。為了能夠進(jìn)行定量分析，本文采用全波長(zhǎng)的斯特藩-玻耳茲曼定律來(lái)分析發(fā)射率對(duì)顯微紅外測(cè)溫結(jié)果的影響：

E=εσT4

(8)

式中：E為輻射單元的全波長(zhǎng)總輻射出射度，W/m2；ε為輻射單元表面發(fā)射率，無(wú)量綱；σ為斯特藩-玻爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10-8，W/(m2·K4)；T為輻射單元表面溫度，K。

顯微紅外熱像儀采用的是光子探測(cè)器，因此其響應(yīng)與入射光子的數(shù)量成正比(而非能量)，在不考慮環(huán)境因素的情況下，應(yīng)采用斯特藩-玻爾茲曼公式的光子形式進(jìn)行分析:

Q=δεT3

(9)

式中：Q為單位面積光子發(fā)射量，個(gè)/(s·cm2)；δ為常量，其值為1.52×1011個(gè)/(s·cm2·K3)。

根據(jù)上述理論，只要在一個(gè)已知的溫度下獲取物體總的輻射量，就可以近似地用斯特藩-玻爾茲曼公式計(jì)算出物體的實(shí)際溫度。設(shè)被測(cè)件處于未知溫度Tx，此時(shí)紅外熱像儀得到的被測(cè)件輻射量的響應(yīng)為φx：

(10)

則被測(cè)件的計(jì)算溫度Tx和實(shí)際溫度T之間存在著一個(gè)偏差，關(guān)系式為：

(11)

通過(guò)式(11)可以得到計(jì)算溫度和實(shí)際溫度的偏差是與被測(cè)件發(fā)射率ε有關(guān)的，關(guān)系如圖1所示。由圖1可以看出實(shí)際溫度和計(jì)算溫度之間的偏差存在著一個(gè)大致趨勢(shì)，顯微紅外熱像儀在固定溫度Ts計(jì)算出被測(cè)件的發(fā)射率，根據(jù)式(10)分析，計(jì)算出發(fā)射率ε′偏小，溫度測(cè)量結(jié)果則應(yīng)偏大。由式(11)可知，當(dāng)被測(cè)件溫度升高，發(fā)射率越小，產(chǎn)生的偏差就會(huì)越大。因此，顯微紅外熱像儀測(cè)得溫度和實(shí)際溫度的偏差是隨著被測(cè)件發(fā)射率和溫度而變化，發(fā)射率越低，測(cè)溫偏差就越大，并且偏差會(huì)隨著被測(cè)件溫度升高而增大。

必須指出的是，由于采用了全波長(zhǎng)的紅外溫度計(jì)算公式，這里得到的具體量值會(huì)與真實(shí)的顯微紅外熱像儀測(cè)溫結(jié)果存在誤差，但是，二者的變化規(guī)律和趨勢(shì)應(yīng)該是一致的。

圖1 計(jì)算溫度和實(shí)際溫度偏差關(guān)系

3 驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

3.1 靶標(biāo)的制作及定標(biāo)

用半導(dǎo)體器件材料設(shè)計(jì)并制作帶鉑電阻溫度傳感器的靶標(biāo),來(lái)確認(rèn)半導(dǎo)體器件較低的發(fā)射率對(duì)顯微紅外測(cè)溫結(jié)果的影響。靶標(biāo)提供一個(gè)目標(biāo)區(qū)域作為被校顯微紅外熱像儀的測(cè)溫對(duì)象，該目標(biāo)區(qū)域是一個(gè)平坦表面，大小為1 mm×1 mm，顯微紅外熱像儀探測(cè)視場(chǎng)大小為10 mm×10 mm，便于顯微紅外熱像儀對(duì)其成像。靶標(biāo)測(cè)溫模塊框圖如圖2所示，靶標(biāo)本身是無(wú)源的，控溫臺(tái)作為熱源給靶標(biāo)提供一個(gè)穩(wěn)定溫度。

圖2 靶標(biāo)測(cè)溫模塊框圖

目標(biāo)區(qū)域采用半導(dǎo)體工藝制作，材料選取與實(shí)際器件表面相同的材料制作，包括Au、GaAs等，而制作出的鉑電阻靶標(biāo)不能直接根據(jù)電阻值得出溫度，需要對(duì)其進(jìn)行阻值與溫度關(guān)系的定標(biāo)及重復(fù)性和穩(wěn)定性的考核。圖3是靶標(biāo)實(shí)物圖。定標(biāo)操作示意圖如圖4所示。

圖3 靶標(biāo)實(shí)物圖

圖4 鉑電阻定標(biāo)過(guò)程示意圖

靶標(biāo)的定標(biāo)過(guò)程中需要用到油槽、二等鉑電阻、電阻溫度表及數(shù)字多用表8508 A。鉑電阻的阻值與溫度關(guān)系可以近似表示為：

(12)

式中:RT為鉑電阻在溫度T下的阻值；R0為鉑電阻在0 ℃下的阻值；B和A是與鉑電阻特性有關(guān)的2個(gè)系數(shù)。

測(cè)得數(shù)據(jù)根據(jù)阻值與溫度的近似關(guān)系進(jìn)行二次項(xiàng)擬合，結(jié)果見(jiàn)圖5所示。

本文對(duì)GaAs靶標(biāo)鉑電阻溫度的測(cè)量不確定度進(jìn)行了粗略評(píng)估，見(jiàn)表1。以100 ℃溫度點(diǎn)為例，(dRt/dt)t=100=0.340 6 Ω/℃。

溫度不確定度來(lái)源包括：

(1)鉑電阻的阻值-溫度關(guān)系標(biāo)定時(shí)引入的不確定度。包括:a)恒溫油槽溫度均勻性u(píng)1；b)二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的周期穩(wěn)定性u(píng)2；c)二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻的復(fù)現(xiàn)性u(píng)3；d)8508 A測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻阻值的不確定度u4；e)8508 A測(cè)量自制鉑電阻阻值的不確定度u5。

(2)自制鉑電阻與目標(biāo)區(qū)域溫差u6，取決于靶標(biāo)的溫度均勻性。

(3)自制鉑電阻穩(wěn)定性引入的不確定度u7。

(4)重復(fù)性引入的不確定度u8。

圖5 鉑電阻阻值與溫度關(guān)系二次項(xiàng)擬合曲線(xiàn)圖

表1 GaAs靶標(biāo)鉑電阻溫度測(cè)量不確定度評(píng)估

則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

=0.40 ℃

(13)

取包含因子k=2，則擴(kuò)展不確定為0.80 ℃。

3.2 測(cè)試過(guò)程

本文選擇了半導(dǎo)體行業(yè)中應(yīng)用最廣泛也是最先進(jìn)的顯微紅外熱像儀作為測(cè)溫裝置，該熱像儀采用InSb作為探測(cè)器，在液氮制冷條件下溫度分辨力能達(dá)到0.05 ℃，探測(cè)面積為10 mm×10 mm；其具備先進(jìn)的逐像素發(fā)射率計(jì)算功能，能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算被測(cè)件表面材料的發(fā)射率。用顯微紅外熱像儀對(duì)定標(biāo)后的靶標(biāo)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 測(cè)溫裝置結(jié)構(gòu)示意圖

將研制的靶標(biāo)和面源黑體分別作為被測(cè)件安放在控溫臺(tái)上。為了保證被測(cè)件的溫度穩(wěn)定并盡可能與控溫臺(tái)保持一致，需要在被測(cè)件下表面與控溫臺(tái)之間均勻涂抹一層導(dǎo)熱硅脂。靶標(biāo)上引線(xiàn)和數(shù)字多用表8508 A輸入端連接。數(shù)字多用表8508 A需要設(shè)置為四線(xiàn)電阻測(cè)量模式，用以準(zhǔn)確地監(jiān)控靶標(biāo)上鉑電阻的阻值。靶標(biāo)目標(biāo)區(qū)域大小為1 mm×1 mm。設(shè)置控溫臺(tái)溫度為70 ℃，對(duì)被測(cè)件進(jìn)行發(fā)射率修正，測(cè)得的黑體、GaAs、Au 3種材料發(fā)射率分別為0.9，0.6，0.2。待被測(cè)件溫度穩(wěn)定2 min后用顯微紅外熱像儀對(duì)被測(cè)件進(jìn)行溫度測(cè)量，同時(shí)記錄8508 A的電阻示值。改變控溫平臺(tái)的溫度，使被測(cè)件溫度分別為70，80，90，100，110 ℃，用相同測(cè)試方法測(cè)2種不同材料的靶標(biāo)和黑體。

4 結(jié)果與分析

本文對(duì)顯微紅外熱像儀測(cè)得3種材料在不同溫度下實(shí)際溫度和顯微紅外測(cè)得溫度的偏差數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。對(duì)每種靶標(biāo)在各個(gè)溫度點(diǎn)下重復(fù)測(cè)量6次，以平均值作為最終的測(cè)溫結(jié)果。將顯微紅外熱像儀對(duì)3種被測(cè)件的測(cè)溫結(jié)果與實(shí)際溫度的對(duì)比情況用曲線(xiàn)的形式進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖7所示。

由對(duì)比結(jié)果可知：無(wú)論是對(duì)于哪種被測(cè)件，隨著溫度的升高，顯微紅外熱像儀測(cè)溫結(jié)果均存在誤差；不同的是發(fā)射率越低，測(cè)溫誤差越明顯。

為便于直觀(guān)對(duì)比，將3種不同發(fā)射率材料的測(cè)溫誤差放在一起進(jìn)行分析，得到的結(jié)果如圖8所示。圖8與理論分析得到的圖1在趨勢(shì)上是一致的。被測(cè)件是高發(fā)射率的黑體時(shí)測(cè)溫誤差最小，在實(shí)際溫度為110 ℃時(shí)誤差為1.9 ℃；而被測(cè)件是低發(fā)射率的金材料時(shí)測(cè)溫誤差最大，在實(shí)際溫度為110 ℃時(shí)誤差為為7.9 ℃；發(fā)射率稍微大些的GaAs時(shí)測(cè)溫誤差介于金屬和黑體之間。在同一溫度下發(fā)射率越低，測(cè)得溫度和實(shí)際溫度偏差越大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析相契合。

圖7 3種材料顯微紅外熱像儀測(cè)溫結(jié)果

可見(jiàn)，在發(fā)射率低的情況下，測(cè)試結(jié)果的誤差非常明顯，這個(gè)偏差在半導(dǎo)體器件測(cè)試結(jié)溫時(shí)已經(jīng)不可忽略了。

圖8 顯微紅外熱像儀測(cè)溫誤差結(jié)果

5 結(jié) 論

本文通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，研究了發(fā)射率對(duì)半導(dǎo)體器件顯微紅外測(cè)溫結(jié)果的影響，得出用顯微紅外熱像儀測(cè)量低發(fā)射率材料的溫度時(shí)，發(fā)射率越低測(cè)溫誤差越大的結(jié)論，且誤差會(huì)隨著被測(cè)件溫度的升高而增大。在110 ℃的溫度條件下，測(cè)量金材料的測(cè)溫誤差高達(dá)7.9 ℃，測(cè)砷化鎵材料也有3.8 ℃的測(cè)溫誤差，這對(duì)實(shí)際半導(dǎo)體器件結(jié)溫測(cè)試中的影響已經(jīng)不可忽略。因此，在利用顯微紅外熱像儀進(jìn)行半導(dǎo)體器件溫度測(cè)量時(shí)，需要考慮發(fā)射率的影響并考慮如何進(jìn)行修正問(wèn)題。