器件溫度測試的影響因素

李興鴻，趙春榮，趙俊萍

（北京微電子技術研究所，北京 100076）

器件溫度測試的影響因素

李興鴻，趙春榮，趙俊萍

（北京微電子技術研究所，北京 100076）

本文從器件用熱像儀的測溫過程、常用公式出發，針對測溫條件進行了探討，對公式里面的指數n的取值進行了推算。認為n可取4，但常數C和指數n的取值與波長范圍和溫度范圍有關，要匹配。同時對IC溫度分布的精確測量條件也進行了總結。

紅外熱像儀；輻射溫度；實際溫度；n值

引言

器件的可靠性與器件的溫度有密切的關系。在器件的試驗、使用和失效分析過程中，人們十分關心器件溫度分布。

器件表面指定位置溫度或溫度分布一般用紅外熱像儀進行測量。紅外熱像儀測溫時，要對測量溫度和實際溫度的關系進行標定，有時還要計算發射率。

我們在用恒溫臺標定溫度時，對如何測量真實溫度的細節進行了深入探討，特別是指數n的取法，感覺很復雜。本文是一些探討結果。

1 紅外熱像儀的測溫過程

器件用紅外熱像儀由樣品臺、探測器固定及調焦支架、紅外探測器、光學系統、信號處理系統和顯示記錄裝置等組成。

我們的紅外探測器由薄膜淀積熱敏電阻構成。紅外線通過光學系統聚焦到探測器像元陣列上。當像元接收一定帶寬的紅外輻射時，其阻值會變化。阻值的變化通過惠斯通電橋而變換為電信號。后續電路對這些原始電信號進一步放大和處理后送至顯示器上變成灰度值，形成該目標溫度分布的二維可視圖像。每種灰度又用偽彩色代替在顯示器顯示。從而得到圖像灰度和物體溫度之間的對應關系，實現了測溫。

2 物體實際溫度與紅外熱像儀輻射溫度的關系

2.1 熱像儀常用公式

熱像儀基本公式（1）是根據黑體輻射基本概念和定律、光能量度量方式、灰度近似、探測器光譜響應度[1]這些知識，并取探測器接收到的能量為目標自身輻射、環境反射輻射和大氣輻射能量的和而推導出來的。筆者推導的結果與資料[2]的結果一致，推導過程從略。

其中

將（2）代入（1）得

這就是熱像儀常用公式（1）、（3）的來歷及指數n的出處。C和n在一定條件下也是常數，由實際測量結果計算擬合而得，后面將詳細說明。

2.2 熱像儀常用公式的簡化

熱像儀在潔凈化間中使用，可認為是一個有電磁屏蔽的等溫環境，周圍環境物體溫度和大氣溫度相同，所以可取，式（4）變為

用式（9）及（7）相互參照，能使ε的取值更合理。

如果取n=4，則

式（6）、（7）、（9）及（10）就是計算真實溫度和發射率的常用公式。

但是，假若n未知，則ε也算不出來，因此需要知道n值。

3 n值估算方法

任意兩式相除，比如

取對數

此時式（15）變為

在λ包括了0～∞的所有波長的情況下，從式（15）可得出

σ為斯蒂芬-波爾茲曼常數。

從以上演算可知，常數C與溫度范圍、波長范圍、探測器的光譜響應度都有關系，n可以取4，但C并不總是常數。

換句話說，在n取4時，式（2）成立，但C僅在一定的溫度范圍和波長范圍內有效，超出范圍要重取C。

3.3 n值的變化

對于InSb探測器，其探測波長范圍一般在3～4.7um范圍，取ξ=3.85um，在27℃～100℃溫度范圍，n在10.6～12.2范圍，且溫度范圍越高n越小，積分區間化得越細，越應該更精確，但都在10左右。

對于HgCdTe（8～13um）探測器，在27℃～100℃溫度范圍，也用上述方法進行計算，約4.09。

的窄波長范圍內，n近似為5，在長波或高溫區域，用瑞利—金斯公式估算，n近似為1。其實，在目標溫度很高時，從式（3）可以得出，近似為，與n沒什么關系了。

可見，n會變化，n與探測器的探測波長范圍有關，也與溫度范圍有關。在一定溫度范圍和探測波長范圍內，（2）成立。

3.4 不同n值下的發射率ε計算結果分析

如第2.1節所述，對于一個性能穩定的固體，在窄波長及窄溫度范圍內，發射率ε可視為常數。表1的ε計算結果與真實情況不同，說明n取值有問題。

3.5 n取4的條件

式中，ξ是λ1與λ2之間的一個數。

令常數：

表1 不同n值對應的發射率和變化量

上述結果再一次表明，n可以取4，C也是常數，但C與波長范圍和溫度范圍都有關系。

所以，我們今后在試驗中的n就取4，但同時要注明波長和溫度范圍，也就是C和n是有匹配關系的，要連帶考慮。

4 問題的解決方法

由上述可見，n的取值很困難。最好能避開n值和發射率ε。

可選的方法是將器件恒溫標定。將溫度區間盡可能細分，得出器件上關注位置的實際溫度與輻射溫度的查找表，記錄標定條件（如環境溫度、焦距、標定位置等），將其復制到實際測試過程中，再用查找表來查找實際溫度。

在測量板級產品的器件溫度分布時此法效果較好。因為器件體積大，表面材料種類相對少、面積大，容易標定。還可直接輸入已知發射率數據測溫。

但IC表面介質和硅材料對于紅外線是透明的，又是多層金屬布線工藝，微觀結構不同，其表面的發射率就不同。但IC結構太多，只能選擇有代表性的少量點來標定，會漏掉一些位置。標定分立器件比較要容易。

所以紅外熱像儀比較適用于IC的失效分析。因為只要知道關注點的相對溫度找到熱點就行，不必精確測溫。

在計算發射率時，可取n為4，用若干個點的標定數據按式（10）來計算發射率，取其平均值。再用式（8）取任意溫度組合再來驗證和確定ε和n值。

如果要精確測IC表面的溫度分布，參考3.4節，芯片表面涂覆厚的高發射率絕緣材料是一個不錯的選擇，GJB 548的方法就是如此。這時溫度分布與芯片表面結構無關，但要先記錄芯片形貌來做定位參考。

5 結束語

式（6）、（7）、（9）、（10）是我們常用的計算公式。但這些公式導出時作了如下假定，在使用公式時要盡量與這些假定協調一致：

1）假定被測物體為灰體，遵從朗伯定律。這就要求我們在使用熱像儀觀察物體時要聚好焦，使探測器與被測物體表面（或觀測點）盡量平行。

2）假定了大氣透射率為1，也就是沒有衰減，所以被測物體與熱像儀距離要盡可能縮短，空氣濕度別太大。

3）假定了大氣環境溫度和外界物體的溫度不變，都等于大氣溫度，因此熱像儀的使用環境要穩定可控，周圍沒有大輻射源，起碼要避開實驗室的進出風口。

4）假定了發射率、吸收率、透射率等是常數，所以推導的公式只適用于較為穩定固體材料，且在窄的溫度和波長范圍內使用。

5）指數n的選擇要根據具體的探測器來選擇，如果設備廠家未告知，則要重新標定，不能亂取。n可取4，但要注意C在一定條件下是常數，條件變了則C也要變，C與n一樣，與波長范圍、溫度范圍、探測器的光譜響應度有關，也與光學透鏡、濾光片等光學器件有關。

熱像儀用于器件的失效分析是不錯的選擇，測板級器件溫度分布也有很好的效果，但要測IC芯片表面溫度分布時要先進行精密的溫度標定，操作困難。芯片表面精確溫度分布要靠涂敷高發射率材料來實現。

[1]姚啟鈞.光學教程.第三版[M].北京：高等教育出版社, 2002.

[2] 于波，季玉茹，金光熙.紅外熱像測溫中真實溫度的計算[J].吉林化工學院學報. 2004,21(1).

李興鴻，研究員，航天大規模及超大規模集成電路檢測和失效分析中心副主任，北京微電子技術研究所封裝測試中心總工程師，畢業于華南理工大學半導體物理與器件專業。作者主要研究方向集成電路失效分析。

Inf uence Factors of Temperature Measurement on Devices

LI Xing-hong, ZHAO Chun-rong, ZHAO Jun-ping
（Beijing Microelectronic Technology Institute, Beijing 100076）

According to temperature measurement process and basic formula by using thermograph, we discussed measurement condition, calculated index n, and was considered n as 4. While that constant C and index n have a relationship with wavelength and temperature range, C and n should be matched. Finally, we summarized that test conditions about precision IC temperature distribution.

thermograph; radiation temperature; fact temperature; n value

TN4

A

1004-7204（2014）04-0006-04