基于紅外測溫技術的微波功率器件降溫曲線測量系統

劉巖　翟玉衛　范雅潔　程曉輝　梁法國

摘要：

為了有效實現對微波功率器件的熱特性分析，在瞬態紅外設備基礎上開發了一套用于獲取微波功率器件降溫曲線的測量系統。分析了瞬態紅外設備的原理，并根據降溫曲線測量的需要對設備進行改造，開發了數據采集和處理系統，擴展了原有設備的功能，重新設計了測溫流程、數據處理算法和相應的軟件系統，實現了對GaN HEMT器件不同工作條件下降溫曲線的測量。測量的降溫曲線滿足現有國際標準JESD51系列的要求，在器件熱特性分析方面具有較好的應用前景。

關鍵詞：

紅外測溫技術； 降溫曲線； 電學法

中圖分類號： TN 219文獻標志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2016.02.002

Abstract：

A set of cooling curve measurement system for microwave power devices was developed based on a transient infrared tester in order to analyze the thermal characteristics of power devices.Working principles of the transient infrared tester were analyzed.A set of data acquisition and process system was developed to replace the corresponding part of the transient infrared tester.The working procedure and data processing software were designed to meet the demands of cooling curve measurement.Cooling curve of GaN HEMT device was obtained under varied working conditions.The obtained cooling curve fulfilled the requirements of JESD51 standard series.

Keywords：

infrared thermal measurement technique； cooling curve； electrical method

引言

微波功率器件正向著大功率、高頻的方向發展，器件的工作溫度或者結溫越來越高，器件熱特性（熱阻、結溫、接觸熱阻及器件各層的熱阻和熱容）分析的重要性也日益凸顯。為了有效地檢測和分析微波功率器件的熱特性，國際固態物理委員會（JEDEC）制訂了JESD51系列的國際標準，用以指導對微波功率器件的溫度、熱阻及結構特性的檢測和分析[12]。

電學法是器件熱分析的傳統方法，利用器件電參數的溫度特性測量器件溫度，用于熱阻[3]等特性分析。在國際標準中，為了實現對熱阻等參數的測量，規定需要獲取器件的降溫曲線，并采用基于熱阻抗原理的結構函數方法對曲線進行分析以獲得器件相關的熱特性參數。現有的電學法熱阻測試儀，如T3ster和Phase11等都采用了降溫曲線的方法，該方法也被美國等多個國家的標準所采納[46]。但是，由于電學法熱阻測試儀的測量電路與器件的工作電路相連接，會影響器件的真實工作條件，導致測量結果的偏差。并且電學法熱阻測試儀在GaN HEMT等新興器件的檢測方面還不夠成熟，無法滿足這些器件的檢測需要，因此電學法的應用受到了一定限制。

顯微紅外熱像儀將紅外測溫技術應用于微波功率器件溫度檢測，能夠在不影響器件工作狀態的條件下測量器件溫度，逐漸在微波功率器件熱分析領域推廣普及[79]。但是，目前在半導體行業應用的顯微紅外熱像儀不具備降溫曲線的測量能力，無法滿足JEDEC標準的要求，無法有效獲得器件各層材料的熱容、熱阻及總體熱阻等關鍵熱特性參數的信息。因此，本文在現有具備高速測量能力的瞬態紅外設備基礎上，開發了一套數據采集及處理系統，以獲取器件的降溫曲線，為微波功率器件尤其是新興GaN類器件的熱特性檢測和可靠性分析提供參考。

1系統方案設計及實現

現有的瞬態紅外設備提供高速測溫功能，但其只適用于脈沖工作條件下器件瞬態溫度特性的測量，與測量降溫曲線的需求差異較大，無法直接應用于器件降溫曲線的測量。表1列舉了兩種應用對設備要求的主要差異。

瞬態紅外設備的基本構成如圖1所示，控溫平臺根據紅外測溫需要調整被測器件的基礎溫度，伺服系統承載顯微紅外光學系統完成位置調整和對焦，光學系統將捕捉到的紅外輻射傳輸至高速紅外探測器，后者將紅外信號轉換為電信號，經前置放大后由工控機的數據采集卡采集，并進行后續的數據處理、分析、顯示和儲存。此外，工控機還負責控制伺服系統和控溫平臺完成用戶要求的動作。

1.1方案設計

通過前面的比較可以看出，測量降溫曲線的需求差異主要體現在數據處理部分，因此我們在現有瞬態紅外設備的硬件基礎上進行改造，用自行開發的數據采集和處理系統取代設備原有的配套工控機的數據采集和數據處理部分，設計新的數據處理算法和測溫流程以適應降溫曲線測量的需要。

我們采用了高性能的數據采集卡采集高速紅外探測器輸出并經過放大后的電信號，將其轉換為數字信號后交由軟件處理。測溫流程如圖2所示，首先通過測量或者用戶直接輸入發射率，然后進行背景輻射測量獲得背景輻射數據用于修正，接下來測量目標紅外輻射強度獲得電平數據，并利用之前獲得的背景輻射數據進行修正，修正后的數據根據目標發射率和預先得到的電平溫度關系數據進行換算，即可得到溫度數據，最后對溫度數據進行處理。

根據斯蒂芬玻爾茲曼公式，物體在一定溫度T下，單位面積、單位時間內所發射的全部波長的總輻出度為

M=σ εT4（1）

式中：M為輻射單元的全波長總輻出度，單位為W/m2；ε為輻射單元表面發射率，無量綱；σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數，其值為5.67×10-8 W·m-2·K-4；T為輻射單元表面溫度，單位為K。在確定ε的前提下，可以根據輻射強度確定被測物體的溫度。

發射率ε定義為物體輻出度M與同溫度下黑體輻出度M0之比，即

ε=MM0

（2）

由于儀器的響應電信號與被測物體的輻出度成正比，因此可以在參考溫度下測量目標紅外輻射得到電平值V，并在相同溫度下測量黑體紅外輻射得到電平值V0，兩者之比即為目標發射率，因此式（2）可以表示為

ε=MM0=VV0

（3）

電平溫度關系數據是將修正后的電平數據換算為溫度的依據，該數據可以通過在一系列標準溫度下測量黑體得到。為提高效率，電平溫度關系數據預先獲得并存儲在文件中，軟件在啟動后讀取該文件，并利用其中數據通過擬合算法生成電平溫度函數，測溫過程中直接利用函數關系計算出對應溫度值。

1.2系統的實現

數據處理部分主要包括數字濾波、塊平均和下采樣，其中塊平均的數據塊大小以及下采樣的采樣率可以根據需要逐段調整。由于數據采集卡在改變采樣率時需要重新初始化，在一個record的采樣過程中不能更改，而初始化過程的時間不能嚴格確定，因而我們令數據采集卡運行在固定的高采樣率下，通過塊平均和下采樣來控制輸出的數據量。在一次降溫過程（對應于一個record）中，初始階段曲線比較陡峭，需要高采樣率分辨曲線的細節，此時我們只進行塊平均來抑制噪聲，而不進行下采樣；隨著時間推進，曲線會逐漸趨于平緩，同時我們會引入下采樣并逐漸降低采樣率，從而在保持足夠時間分辨率的前提下有效降低數據量。

軟件部分利用LabVIEW開發，包括數據采集卡的控制和數據讀取、數據處理和儲存以及用戶界面，軟件主要模塊功能關系如圖3所示，用戶界面如圖4所示。

2結果分析

2.1系統準確度驗證

在系統開發調試完成后，對標準面源黑體的溫度進行測量，以驗證系統測溫的準確性。實驗結果如圖5所示，實驗數據點以十字表示，實線是實測溫度等于設定溫度的參考線，實測溫度與設定溫度的最大偏差為0.7 ℃（出現在95 ℃和105 ℃處）。

我們還與瞬態紅外設備的測量結果進行了對比，來進一步驗證所開發的系統的有效性。由于瞬態紅外設備只能測量穩定的周期信號，我們在自行開發的系統中也增加了周期測量模式，以方便對比。

實驗裝置如圖6所示，被測目標依然為面源黑體，在面源黑體與物鏡之間插入光學斬波器，通過調制紅外信號模擬輻射溫度的變化，從而驗證自行開發系統在測量變化信號時的性能。

光學斬波器調制頻率設定為1 kHz，保持實驗條件不變，先后使用瞬態紅外設備原有系統和自行開發的系統測量，實驗結果如圖7所示，圖7（a）為瞬態紅外設備測量的結果，圖7（b）為自行開發系統的測量結果，其中方波為驅動光學斬波器的同步信號。可以看到，兩者均能夠正常測量周期變化的信號，周期為1 ms，與斬波器設定吻合。

選用RFMD公司的一款GaN HEMT器件（型號為RF3928）作為被測件進行降溫曲線測量實驗。我們通過調整柵壓控制器件的功率，得到若干不同初始狀態下的降溫曲線，具體實驗條件如表2所示。

設定系統采樣率為10 MS/s，平均塊為1 000個樣值，此時能夠分辨的最小時間間隔為100 μs。我們給被測器件施加表2所示實驗條件，待器件狀態穩定后，撤掉漏壓并捕捉器件的降溫曲線，測量時間為120 s，實驗結果如圖8所示。

圖8橫軸為對數形式的時間軸，縱軸為溫度，從上到下4條曲線依次對應表2中4種實驗條件。可以看出，不同耗散功率下器件的初始溫度不同，但是曲線形狀基本相同，都存在一段比較迅速的降溫過程，然后降溫速度變緩并最終趨于同一個最終溫度。

3結論

本文實現了基于紅外測溫技術的器件降溫曲線的測量，測量的降溫曲線能夠滿足國際標準對器件熱特性分析的要求。根據降溫曲線測量的需要，利用瞬態紅外設備的硬件基礎，通過自行開發的數據采集系統和數據處理軟件實現了降溫曲線測量功能。通過實驗驗證了系統的有效性和準確性，并成功獲取了GaN HEMT的降溫曲線。由于紅外測溫技術不會受器件的種類、電路連接及工作條件的影響，本系統可以適用于任意器件降溫曲線的測量。根據JESD51系列國際標準，獲得的降溫曲線可以采用與傳統電學法相同的技術進行分析，得到反映器件縱向熱特性的結構函數。該技術適用于任何種類的微波功率器件的降溫曲線測量，應用前景廣泛。

參考文獻：

[1]Electronic Industries Association.JEDEC JESD511Integrated circuit thermal measurement method – electrical test method（single semiconductor device）[S/OL].199512101[20140728].http：//standards.globalspec.com/standards/detail？familyId=MNOOHAAAAAAAAAAA.

[2]Electronic Industries Association.JEDEC JESD5114Transient dual interface test method for the measurement of the thermal resistance junctiontocase of semiconductor devices with heat flow trough a single path[S/OL].20101101[20140728].http：//standards.globalspec.com/std/1288922/jedecjesd5114.