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微电子

微电子器件温度分布测试技术研究

发布时间:2020-06-01   |  所属分类:微电子:论文发表  |  浏览:  |  加入收藏
  摘要为改善微电子器件性能,提高可靠性,确定筛选、考核条件等都必须对器件的结温、表面温度分布以及热斑等热特性进行精确测量,红外热像法是当前测量微电子器件热特性最有效的方法之一。文章针对I nf rasco peⅡ型显微红外热像仪在实际应用中如何提高其测温准确度和一致性等问题进行了研究,重点分析了样品发射率、背景环境和大气衰减等因素的影响,并给出验证解决方案,取得了满意的结果。
 
  关键词微电子器件;可靠性检测;红外热像法;精确测温
 
  1引言
 
  当前微电子器件正向着大功率、高频和高集成度的方向发展,器件在工作过程中,由于其各部位的电流密度不等,造成表面的温度分布不均匀,有时局部小区域温度会比平均温度高出很多(即热点)。这些热现象都会直接影响器件参数的稳定性、品质的可靠性以及器件、整片集成电路乃至整机和系统的寿命,因此说精确测量器件热分布对于航天等很多高可靠领域是至关重要的。当前测量微电子器件温度分布最有效的方法是红外热像法[1~3],本文从实际应用出发,对与红外测温准确性密切相关的各种因素,如:样品发射率、大气温度、大气衰减、背景噪声等展开探讨,提出了提高InfrascopeⅡ型显微红外热像仪测量精度的一系列方案。
 
  2显微红外热像仪概述
 
  现采用的显微红外热像仪为美国QFI公司生产的InfrascopeⅡ型,该仪器采用InSb探测器,响应波段为2μm~5.5μm,温度灵敏度0.001℃,测温范围为70℃~350℃,空间分辨率达到2.5μm,脉冲采样频率高达200M H z,代表了国际先进水平。显微红外热像仪的测量是基于黑体辐射原理,被测样品的红外辐射能量经过大气衰减到达光子探测器,光子探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号,其输出电信号经前置放大器送达数据采集板卡,最后通过电子计算机的数据处理,得到与物体表面温度分布相对应的红外热分布图像,并呈现在显示器上(如图1所示)[4]。
  3影响精度的因素以及解决方案
 
  3.1热像仪辐射测温方程
 
  根据红外辐射理论和红外热像仪的测温原理可知,红外热像仪是靠接收被测表面发射的红外辐射能量来确定其温度和热图像的[5]。实际测量时,当被测物体为灰体目标,热像仪计算灰体表面真实温度的计算公式为:
 
  式中:T0为被测样品表面温度;ε为被测样品表面发射率;τα为大气光谱透过率;T r为热像仪测试的辐射温度;Tα为大气温度;T u为环境温度;n为常数,对应我所显微红外热像仪响应波段为2μm~5μm,所以n值取9.2554。对式(1)两边微分得:
  由于Tr为仪器固定参数无法改变;测量距离由仪器焦距控制,而且最大焦距仅为10cm;在实验室内部测试时环境温度可有效控制,所以Tr,Tα,τα及Tu带来的误差为固有误差,在这里先不展开叙述。本文主要对被测表面的发射率、背景辐射、大气衰减等因素展开讨论。
 
  3.2样品发射率的影响
 
  粗糙度、凹凸度、颜色、厚度等有关,绝大多数的非金属材料,特别是金属的氧化物,它们的发射率都很高,与非金属相反,绝大多数的纯金属的发射率都很低。为了讨论发射率与测试温度的关系,假设被测样品为灰体,其发射率为ε=0.95,温度为500K,大气温度300K,大气光谱透过率为99,红外热像仪的工作波段为2μm~5μm。在计算过程中,拟定dε/ε≤3、dτα/τα≤3、d Tr/Tr≤1。
 
  由式(2)在其他误差不计的条件下,dε/ε与d T0/T0的关系如图2所示。从图2中得知当发射率的误差为20时候,测温误差为6.5左右。
  3.3背景环境的影响
 
  在对样品进行红外测试时,显微红外热像仪接收到的辐射除了样品本身的红外辐射能,还有一部分来自于大气路径上所处环境和背景环境反射的辐射能。显微红外热像仪接收到辐射能随时都会发生变化,它与样品所处的地理位置、季节、气候变化、空气流动和有无热源等因素有关。同时样品表面不断的以辐射、对流和传导等形式和外界介质进行热交换。在显微红外测试过程中,由于是在室内进行,背景环境的影响主要是由大气中的热辐射、室内灯光辐射、测试人员和其他热源辐射,以及环境温湿度的变化组成。因此说,室内温湿度愈低,热辐射影响愈小,避免室内的灯光直射等可以减少这种影响。
 
  在InfrascopeⅡ中背景辐射已经有了最大程度上减小,仪器本身有一加热台,它充当加热器和散热器双重功能,加热台的温度可以保持恒定,从而减小了背景噪声。经过大量实验探索,一般加热台设定70℃~80℃可以很好地屏蔽大部分背景环境的影响量。
 
  3.4大气衰减的影响
 
  红外线波长范围是0.78μm~1000μm,然而红外辐射自样品发射出来总是要在大气中传播一段距离才能到达光学镜头和光子探测器,除了几何发散外,红外辐射在大气中传播会有很大程度上的衰减,大气衰减红外辐射能主要有三个原因[7]:1)大气分子的吸收作用;2)悬浮粒子的吸收作用;3)大气中的分子和各种悬浮微粒的散射作用。
 
  我所的显微红外热像仪配备的是InSb光子探测器,其响应波长为2μm~5.5μm,尘埃、水气、CO 2、O 3是造成了红外辐射衰减的主要影响量。由于显微红外测试工作都在净化实验室内进行,所以最大的影响量为水蒸汽,通过实验证明,湿度从30升到50,标准黑体源设定100℃,红外测试误差由1℃增加到2.7℃。
 
  3.5解决方案
 
  通过以上理论计算和实验探索,提高Infras-copeⅡ型显微红外热像仪准确度的方法主要有:
 
  1)首先准确测量被测物体的发射率;
 
  2)避免周围环境高温物体的影响;
 
  3)对于透明材料,背景温度应低于被测物体的温度;
 
  4)正确选择物镜放大倍数,保证样品线条清晰可见;
 
  5)当被测视场中存在过多金属时,应提高加热台温度,从而减少金属高反射率造成的额外误差;
 
  6)保证测试环境的充分净化以及温湿度的恒定,降低尘埃、水气等造成了红外辐射衰减。
 
  4实验结果
 
  经过理论研究以及大量实验的摸索,基本掌握了测试温度与样品的发射率、表面状态及其所处的环境温度、湿度、大气衰减、背景噪声等因素的密切关系。使得测试数据的复现性、准确性、均匀性达到国外文献报道水平。
 
  测试数据复现性案例:2008年9月12日某功放模块,显微红外热像仪测试温度为132.094℃;20 8年11月25日同一模块再次测试数据为132.164℃(如图3所示),二者相差0.07℃。
  测试数据准确性案例:设定标准黑体源的温度为90.0℃,由显微红外热像仪测得的温度为90.157℃(如图4所示),测试数据误差仅为0.157℃,远低于国外文献报道的1℃误差。
 
  测试数据均匀性案例:测试样品型号为3742-8F-A,显微红外测试数据为137.67℃,在管芯位置划线分析数据,分析线布满视场长度(如图5所示),分析测试数据管芯各胞之间呈现正弦曲线,反映出良好的测试效果。
  5结语
 
  通过红外技术测量微电子器件的热特性[8~9],越来越为行业所重视,但这种检测方法的准确性、复现性和一致性受到多种因素的影响。本文结合InfrascopeⅡ型显微红外热像仪实际应用中遇到的问题,开展了一系列研究,结果表明样品发射率、背景环境和大气衰减等因素对测量结果的影响比较明显。通过大量实验摸索出有效的控制措施,显著提高了测试质量,取得了满意的结果。
 
  参考文献
 
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