基于紅外測溫技術(shù)的微波功率器件降溫曲線測量系統(tǒng)

劉巖　翟玉衛(wèi)　范雅潔　程曉輝　梁法國

摘要：

為了有效實現(xiàn)對微波功率器件的熱特性分析，在瞬態(tài)紅外設(shè)備基礎(chǔ)上開發(fā)了一套用于獲取微波功率器件降溫曲線的測量系統(tǒng)。分析了瞬態(tài)紅外設(shè)備的原理，并根據(jù)降溫曲線測量的需要對設(shè)備進(jìn)行改造，開發(fā)了數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，擴展了原有設(shè)備的功能，重新設(shè)計了測溫流程、數(shù)據(jù)處理算法和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)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(xiàn)有國際標(biāo)準(zhǔn)JESD51系列的要求，在器件熱特性分析方面具有較好的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：

紅外測溫技術(shù)； 降溫曲線； 電學(xué)法

中圖分類號： TN 219文獻(xiàn)標(biāo)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(fā)展，器件的工作溫度或者結(jié)溫越來越高，器件熱特性（熱阻、結(jié)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(tài)物理委員會（JEDEC）制訂了JESD51系列的國際標(biāo)準(zhǔn)，用以指導(dǎo)對微波功率器件的溫度、熱阻及結(jié)構(gòu)特性的檢測和分析[12]。

電學(xué)法是器件熱分析的傳統(tǒng)方法，利用器件電參數(shù)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(biāo)準(zhǔn)中，為了實現(xiàn)對熱阻等參數(shù)的測量，規(guī)定需要獲取器件的降溫曲線，并采用基于熱阻抗原理的結(jié)構(gòu)函數(shù)方法對曲線進(jìn)行分析以獲得器件相關(guān)的熱特性參數(shù)?，F(xiàn)有的電學(xué)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(biāo)準(zhǔn)所采納[46]。但是，由于電學(xué)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(dǎo)致測量結(jié)果的偏差。并且電學(xué)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(xué)法的應(yīng)用受到了一定限制。

顯微紅外熱像儀將紅外測溫技術(shù)應(yīng)用于微波功率器件溫度檢測，能夠在不影響器件工作狀態(tài)的條件下測量器件溫度，逐漸在微波功率器件熱分析領(lǐng)域推廣普及[79]。但是，目前在半導(dǎo)體行業(yè)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)鍵熱特性參數(shù)的信息。因此，本文在現(xiàn)有具備高速測量能力的瞬態(tài)紅外設(shè)備基礎(chǔ)上，開發(fā)了一套數(shù)據(jù)采集及處理系統(tǒng)，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(tǒng)方案設(shè)計及實現(xiàn)

現(xiàn)有的瞬態(tài)紅外設(shè)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(tài)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(yīng)用于器件降溫曲線的測量。表1列舉了兩種應(yīng)用對設(shè)備要求的主要差異。

瞬態(tài)紅外設(shè)備的基本構(gòu)成如圖1所示，控溫平臺根據(jù)紅外測溫需要調(diào)整被測器件的基礎(chǔ)溫度，伺服系統(tǒng)承載顯微紅外光學(xué)系統(tǒng)完成位置調(diào)整和對焦，光學(xué)系統(tǒng)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(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)前置放大后由工控機的數(shù)據(jù)采集卡采集，并進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)處理、分析、顯示和儲存。此外，工控機還負(fù)責(zé)控制伺服系統(tǒng)和控溫平臺完成用戶要求的動作。

1.1方案設(shè)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(xiàn)在數(shù)據(jù)處理部分，因此我們在現(xiàn)有瞬態(tài)紅外設(shè)備的硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，用自行開發(fā)的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)取代設(shè)備原有的配套工控機的數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理部分，設(shè)計新的數(shù)據(jù)處理算法和測溫流程以適應(yīng)降溫曲線測量的需要。

我們采用了高性能的數(shù)據(jù)采集卡采集高速紅外探測器輸出并經(jīng)過放大后的電信號，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)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(fā)射率，然后進(jìn)行背景輻射測量獲得背景輻射數(shù)據(jù)用于修正，接下來測量目標(biāo)紅外輻射強度獲得電平數(shù)據(jù)，并利用之前獲得的背景輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，修正后的數(shù)據(jù)根據(jù)目標(biāo)發(fā)射率和預(yù)先得到的電平溫度關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，即可得到溫度數(shù)據(jù)，最后對溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

根據(jù)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(nèi)所發(fā)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(fā)射率，無量綱；σ為斯蒂芬玻爾茲曼常數(shù)，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(jù)輻射強度確定被測物體的溫度。

發(fā)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(yīng)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(biāo)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(biāo)發(fā)射率，因此式（2）可以表示為

ε=MM0=VV0

（3）

電平溫度關(guān)系數(shù)據(jù)是將修正后的電平數(shù)據(jù)換算為溫度的依據(jù)，該數(shù)據(jù)可以通過在一系列標(biāo)準(zhǔn)溫度下測量黑體得到。為提高效率，電平溫度關(guān)系數(shù)據(jù)預(yù)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(shù)據(jù)通過擬合算法生成電平溫度函數(shù)，測溫過程中直接利用函數(shù)關(guān)系計算出對應(yīng)溫度值。

1.2系統(tǒng)的實現(xiàn)

數(shù)據(jù)處理部分主要包括數(shù)字濾波、塊平均和下采樣，其中塊平均的數(shù)據(jù)塊大小以及下采樣的采樣率可以根據(jù)需要逐段調(diào)整。由于數(shù)據(jù)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(yán)格確定，因而我們令數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)量。在一次降溫過程（對應(yīng)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(xì)節(jié)，此時我們只進(jìn)行塊平均來抑制噪聲，而不進(jìn)行下采樣；隨著時間推進(jìn)，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(shù)據(jù)量。

軟件部分利用LabVIEW開發(fā)，包括數(shù)據(jù)采集卡的控制和數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理和儲存以及用戶界面，軟件主要模塊功能關(guān)系如圖3所示，用戶界面如圖4所示。

2結(jié)果分析

2.1系統(tǒng)準(zhǔn)確度驗證

在系統(tǒng)開發(fā)調(diào)試完成后，對標(biāo)準(zhǔn)面源黑體的溫度進(jìn)行測量，以驗證系統(tǒng)測溫的準(zhǔn)確性。實驗結(jié)果如圖5所示，實驗數(shù)據(jù)點以十字表示，實線是實測溫度等于設(shè)定溫度的參考線，實測溫度與設(shè)定溫度的最大偏差為0.7 ℃（出現(xiàn)在95 ℃和105 ℃處）。

我們還與瞬態(tài)紅外設(shè)備的測量結(jié)果進(jìn)行了對比，來進(jìn)一步驗證所開發(fā)的系統(tǒng)的有效性。由于瞬態(tài)紅外設(shè)備只能測量穩(wěn)定的周期信號，我們在自行開發(fā)的系統(tǒng)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(biāo)依然為面源黑體，在面源黑體與物鏡之間插入光學(xué)斬波器，通過調(diào)制紅外信號模擬輻射溫度的變化，從而驗證自行開發(fā)系統(tǒng)在測量變化信號時的性能。

光學(xué)斬波器調(diào)制頻率設(shè)定為1 kHz，保持實驗條件不變，先后使用瞬態(tài)紅外設(shè)備原有系統(tǒng)和自行開發(fā)的系統(tǒng)測量，實驗結(jié)果如圖7所示，圖7（a）為瞬態(tài)紅外設(shè)備測量的結(jié)果，圖7（b）為自行開發(fā)系統(tǒng)的測量結(jié)果，其中方波為驅(qū)動光學(xué)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(shè)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(jìn)行降溫曲線測量實驗。我們通過調(diào)整柵壓控制器件的功率，得到若干不同初始狀態(tài)下的降溫曲線，具體實驗條件如表2所示。

設(shè)定系統(tǒng)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(tài)穩(wěn)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(jié)果如圖8所示。

圖8橫軸為對數(shù)形式的時間軸，縱軸為溫度，從上到下4條曲線依次對應(yīng)表2中4種實驗條件?？梢钥闯觯煌纳⒐β氏缕骷某跏紲囟炔煌?，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(jié)論

本文實現(xiàn)了基于紅外測溫技術(shù)的器件降溫曲線的測量，測量的降溫曲線能夠滿足國際標(biāo)準(zhǔn)對器件熱特性分析的要求。根據(jù)降溫曲線測量的需要，利用瞬態(tài)紅外設(shè)備的硬件基礎(chǔ)，通過自行開發(fā)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理軟件實現(xiàn)了降溫曲線測量功能。通過實驗驗證了系統(tǒng)的有效性和準(zhǔn)確性，并成功獲取了GaN HEMT的降溫曲線。由于紅外測溫技術(shù)不會受器件的種類、電路連接及工作條件的影響，本系統(tǒng)可以適用于任意器件降溫曲線的測量。根據(jù)JESD51系列國際標(biāo)準(zhǔn)，獲得的降溫曲線可以采用與傳統(tǒng)電學(xué)法相同的技術(shù)進(jìn)行分析，得到反映器件縱向熱特性的結(jié)構(gòu)函數(shù)。該技術(shù)適用于任何種類的微波功率器件的降溫曲線測量，應(yīng)用前景廣泛。

參考文獻(xiàn)：

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