2024年3月28日发(作者：)
2021
年
4
月
第
41
卷第
2
期
宇航计测技术
Journal
of
Astronautic
Metrology
and
Measurement
Apr.
，
2021
Vol.
41
，
No.
2
文章编号
:
1000-7202(2021
)02-0043-06
DOI
:
10.
12060/j.
issn.
1000-7202.
2021.02.
08
热反射测温系统测温准确度验证方法研究
丁
晨
翟玉卫
刘
岩
郑世棋吴爱华
（
中国电子科技集团公司第十三研究所
，
石家庄
050051
）
摘
要
针对热反射测温系统测温准确度验证结果不准确的问题
，
提出了一种热反射测温系统测温准确度
的验证方法
。
采用以
Si
为衬底
，
利用半导体工艺制备金薄膜电阻
，
通过制作夹具
，
键合薄膜电阻与夹具的方式研制
出验证电阻件
。
使用温控平台在
30~100t
温度下对其进行温度系数考核
，
结果表明电阻件的阻值与温度有良好的
线性关系
。
通过热电法计算出电阻件温度值
，
与热反射测温系统测量的电阻件温度值相比较
，
从而实现热反射测温
系统测温准确度验证
，
保障了热反射测温系统的测温准确性
。
关键词
热反射测温温度监测准确度
中图分类号:
TN911
文献标识码:
A
Research
on
Verification
Method
for
Temperature
Measurement
Accuracy
of
Thermal
Reflection
Temperature
Measurement
System
DING
Chen
ZHAI
Yu-wei
LIU
Yan
ZHENG
Shi-qi
WU
Ai-hua
(
The
13th
Research
Institute
of
China
Electronics
Technology
Group
Corporation
，
Shijiazhuang
050051
，
China)
Abstract
A
verification
method
was
provided
to
solve
the
problem
that
the
verification
result
of
the
temperature
measurement
accuracy
of
the
thermal
reflection
temperature
measurement
system
was
not
accurate.
The
Verification
of
resistance
standard
was
fabricated
by
semiconductor
process
，
which
build
thin-film
resistor
on
Si
substrate.
The
thin-film
resistor
was
made
by
Au.
The
Verification
standard
was
developed
by
making
fixture
and
bonding
the
thin-film
resistor
to
the
fixture.
The
temperature
coefficient
of
the
resistor
was
tested
by
the
temperature
control
platform
at
the
temperature
of
30~
100
兀.
The
results
show
good
linearity
relationship
between
resistance
and
temperature.
Compared
the
temperature
of
the
standard
by
the
thermal
reflection
temperature
measurement
system
with
the
temperature
of
the
standard
was
calculated
by
thermo-electric
method
.
In
this
way
，
the
temperature
measurement
accuracy
of
the
thermal
reflection
temperature
measurement
system
was
verified，
and
ensure
the
accuracy
of
temperature
measurement.
Key
words
Thermal
reflection
temperature
measurement
temperature
monitoring
accuracy
收稿日期：
2020-10-21,
修回日期
：
2020-12-24
作者简介
：
丁晨
（
1991-
）
,
男
，
工学学士
，
工程师
,
主要研究方向
：
电学计量技术及半导体器件红外测试
。
•
44
•
宇航计测技术
2021
年
1
引言
近年来随着国防科技的快速发展和武器装备性
能的迅速提升
，
对于高频率
、
大功率微波功率器件的
光的反射率随材料温度变化而变化
。
且材料对可
见光的反射率变化量与材料表面的温度变化量呈
线性关系如公式
（
1
）
计算
。
AR
1
R
二
R
average
需求越来越凸显
。
对微波功率器件而言
，
得到其真实
工作条件下的结温特性最为关键
。
在几种用于微波
C
t
r
'T
(1)
average
式中
：
△
R------
反射率变化量
；
Raverage------
反
射率的均值
；
△
T
—
被测材料温度变化量
，
K
；
C
t
r
—
热反射率校准系数
,K
-1
。
功率器件温度检测的光学检测手段中,热反射测温技
术拥有最高的空间分辨率
、
较高的测量速度,是一种
经济有效
、
非接触
、
非破坏性的测量稳态和瞬态表
利用上述原理
，
通过测量反射率的变化量
AR
面温度的光学方法
。
相对于传统的微电子器件温
度检测技术
，
热反射测温最大的优势是具备优越的
空间分辨力
，
因此热反射测温系统在高集成
、
大功
率器件的温度检测方面得到广泛应用
［
1
］
。
为了更加准确地测量微波功率器件的结温
，
对
热反射测温系统测温准确度进行验证
，
保证测温系
统的测温准确性是非常有必要的
。
目前
，
对于热反
射测温系统准确性的验证一般采用典型的微电子
器件进行验证
。
例如
，
QFI
公司利用多晶硅电阻验
证测温准确度
［
2
］
，
给多晶硅电阻施加一个周期性变
化的电压
,
使其温度周期性变化
，
多晶硅电阻中心
下预先埋设一个二极管
，
作为温度传感器提供标准
温度
。
但是这种方法由于多晶硅电阻对可见光具
有一定的透射性
,
容易导致验证结果不准确
,
并且
,
多晶硅的最佳检测波长较长
,
空间分辨力较低
，
不
能准确的反应热反射测温系统高空间分辨力下的
准确性
。
Pavel
L.
Komarov
等提出利用电子探针连
接纯金微电阻来进行验证
［
3
］
［
4
］
，
但没有对纯金微电
阻进行温度系数考核
，
只使用其理论值进行计算电
阻的温度变化
,
且只验证了一个温度点
,
在验证过
程中使用探针连接
，
探针会随着温度变化产生位
移
，
影响其结果的准确性
。
针对以上问题
，
本文采
用以
Si
为衬底
，
利用半导体工艺制备金薄膜电阻
,
通过制作夹具
，
键合薄膜电阻与夹具的方式研制出
验证电阻件并对其进行温度系数考核
，
通过热电
法
，
施加周期性电流引起的电阻变化来确定温度变
化
,
并将其与热反射方法得到的结果进行比较
，
从
而验证热反射测温系统的测温准确度
。
2
验证方法
2.1
热反射测温技术的原理
当可见光照射在某种材料表面时
，
材料对可见
计算得到材料表面温度的变化量的技术称为热
反射测温技术或光反射测温技术⑸
相对于传统的微电子器件温度检测技术
，
热反
射测温最大的优势是具备优越的空间分辨力
。
理
论上
，
热反射测温系统最高空间分辨力可以达到
0.3^m
，
远高于显微红外测温仪的
1.9^m,
即使在实
际的微电子器件温度检测中也可以达到
1^m
的空
间分辨力⑷
。
由于微电子器件的温度与可靠性密
切相关
，
热反射测温系统在高空间分辨力下测量结
果的准确度尤为重要
，
因此对热反射测温系统的测
温准确度进行验证
，
保证测温系统的测温准确性是
非常有必要的
。
2.2
验证件研制
为了实现对热反射测温系统测温准确度的验
证
，
提出了一种用金薄膜微电阻作为验证电阻件对
其进行验证的方法
，
并搭建了相应的验证装置
［
7
］
o
选择
Si
作为衬底
,
表面采用金材料生长工艺制
作一个金薄膜微电阻
。
为了在有限的面积下实现
较高的阻值
，
且保持电阻各个部位的温度尽可能的
一致,需要进行图形设计
。
由于在相同加热电流的
情况下
，
电阻的阻值越大
，
电阻两端的电压越高
，
电
压越高测量准确度越高
，
即电阻的阻值越大
，
测量
准确度越高
，
因此
，
为了在有限的面积上实现较高
的电阻阻值
,
金电阻的图形设计采用
“
蛇
”
形结构
。
为了满足验证热反射测温装置准确度的需要
，
电阻
的宽度在
1^m
〜
50pm
之间
。
其中金焊盘用于给电
阻加电
。
焊盘的长宽比要远小于电阻的长宽比
，
一
般小于
1%
。
这样可以尽量降低焊盘电阻对总电阻
的影响
，
使能量集中耗散在微电阻上
，
金薄膜电阻
表面图形结构如图
1
所示
。
采用半导体工艺制作金薄膜微电阻
［
8
］
，
使用
Si
材料作为衬底
，
在其上生长绝缘层
，
在绝缘层上制
作金材料
，
然后刻蚀图形露出绝缘层
，
从而得到微
第
2
期
长
热反射测温系统测温准确度验证方法研究
•
45
•
域的金属层
，
避免该区域的金属层在后续的刻蚀工
艺中被刻蚀掉
。
通过光刻工艺对金属层
Au
进行加工
,
刻蚀金
属层
Au,
形成图形结构
，
图形结构包括金电阻和两
宽
个金焊盘
，
其中一个金焊盘与金电阻的一端相连
,
另一个金焊盘与金电阻的另一端相连
。
最后
，
去除
光刻胶⑼
。
金薄膜电阻为微米量级
,
测量时需采用探针形
式
，
但在进行温度系数考核或施加周期性电流时
,
图
1
金薄膜微电阻表面图形结构
Fig
・
1
Surface
pattern
structure
of
the
Au
thin
film
resistor
电阻结构
，
其中金属层应具有一定的厚度,保证可
见光无法穿透
。
首先在衬底上生长绝缘层
,
衬底为
Si
衬底
，
绝
缘层为
SiO
2
层
，
通过热氧化工艺在
Si
衬底上生长
SiO
2
层
,
作为绝缘层及金属生长层
。
SiO
2
层的厚度
为
100nm,SiO
2
层太厚热氧化时间长
，
容易对衬底
造成损伤
,
太薄则不能有效绝缘
，
绝缘的目的是电
流只从金微电阻上通过
。
在绝缘层上生长金属层
。
金属层为
Au,
通过溅
射工艺在绝缘层
SiO
2
表面生长
Au
金属层
。
Au
金
属层的厚度为
100nm
。
Au
金属层不能太厚
,
一方面
节约成本
，
另一方面
,
较厚的
Au
金属层需要较长时
间的溅射工艺
，
控制
Au
金属层的厚度防止溅射工
艺中长时间高温对衬底造成损伤
。
金薄膜微电阻
的结构如图
2
所示
。
图
2
金薄膜微电阻正向剖面图
Fig.
2
Forward
section
for
the
Au
thin
film
resistor
通过光刻工艺在金属层
Au
表面形成图形结构
的区域上覆盖光刻胶
，
光刻胶保护形成图形结构区
探针会因热胀冷缩产生轻微位移
，
影响其稳定性及
准确性
，
因此通过制作夹具
，
键合薄膜电阻与夹具
的方式来完成最终验证电阻件
。
夹具由载体与
PCB
板组成
，
其中载体材料为黄铜
，
用以与控温装
置接触
,PCB
电路板中心留一个矩形通孔结构用以
放置金薄膜微电阻
，
电路板表面采用镀金焊盘
,
镀
金焊盘的外边缘焊接接线端子
,
镀金焊盘与接线端
子的数量都是
4
个
，
两个作为电压通路
，
两个作为
电流通路
，
验证件结构示意图如图
3
所示
。
用焊料将金薄膜微电阻牢固焊接在铜制载体
上
，
采用半导体工艺中的键合工艺用金丝将电路板
镀金焊盘的内边缘与金薄膜微电阻上的金焊盘相
连
,
完成最终验证件
，
实物如图
4
所示
。
2.3
验证过程
搭建验证件温度定标装置
，
将验证电阻件紧密
放置在高精度控温平台上
，
中间涂抹以导热硅脂
,
保持良好的热传导
，
改变控温平台的温度
，
用数字
多用表电阻测量功能
，
四线电阻测量法监测
30~
100T
验证电阻件的阻值
。
记录电阻值与温度数据
,
标定阻值与温度之间的对应关系
[10][11]
,
考核出其
温度系数
a
；
将验证电阻件放置在热反射测温系统的控温
平台上
，
中间涂抹以导热硅脂
，
控温台温度设定为
亿
。
给验证电阻件施加周期性方波电流人由于电
压表测量的电压值在
0.001V
以上才具备较高的准
确度
，
因此
，
施加的电流的强度要求能够使电阻件
两端产生
0.001V
以上的压降
，
以保证电压表测量
的电压值准确
。
控制电阻件的温度不高于
300T,
以避免温度过高破坏验证件金属层与绝缘层之间
的接触效果
。
将电阻件温度升高至稳定的
T
r
,
且呈现稳定的
周期性变化
。
用电压表监测电阻两端的电压
V
,根
据欧姆定律计算出电阻加电前后的变化量
AR
如公
•
46
•
镀金焊盘
宇航计测技术
2021
年
PC#
电路板
铜制基片
螺钉
接线端子
键合线
金薄膜微电阻
图
3
验证件结构示意图
Fig.
3
Structure
diagram
of
the
verification
standard
式中
:
a
—
—
验证电阻件的温度系数
；
T
c—
—
控
温平台温度
,
°C
；
T
r
一一电阻温度的标准值
,
°C
。
同时用热反射测温系统在
470nm
波长下测量
验证电阻件的温度
T
x
，
将热反射测温系统测量的温
度值与计算得到的电阻温度的标准值相减
,
得到热
反射测温系统测温准确度评价指标
，
误差
△
,
及完
成热反射测温系统测温准确度的验证
。
如公式
(4)
计算
。
工作原理图如图
5
所示
。
图
4
验证件实物图
△二
C
-
T
r
(4)
Fig.
4
Figure
for
the
verification
standard
式中
：
T
—
—
热反射测温系统测量结果
,°c
；
T
r—
—
电阻温度的标准值
,
C
；
△
—
—
测温准确度的误
式
(2)
计算
。
△人
=
人
-
%
(2)
式中
:/
—
—
施加的周期性方波电流
,
A
；
F1
—
—
是加上强度为
/
的电流后电阻两端的电压
，
V
；
F
0—
—
加电流
/
之前电阻两端的电压
，
V
；
△
人
—
—
加电前后的阻值变化量
,Q
。
用
△
人
除以验证电阻件的温度系数
a,
得到温
度的变化量则可以求得
T
r
的标准值
,
如公式
(3)
计算
。
T
r
=
T
c
+
丫
(3)
图
5
工作原理图
Fig.
5
The
working
principle
第
2
期
热反射测温系统测温准确度验证方法研究
•
47
•
3
验证结果及分析
3.
1
验证结果
将制作好的验证电阻件放置在验证件温度定
标装置的控温平台上
，
中间涂抹以导热硅脂
，
用四
线电阻测量法监测
30
〜
100
兀验证电阻件的电阻值
,
数据如表
1
所示
。
表
1
30~100°C
温度下电阻值
Tab.
1
The
resistance
at
30~100C
宽度
/pm
温度
/C
电阻值
/Q
30
12.
037
40
12.381
50
12.
724
60
13.065
25
70
13.406
80
13.746
9014.
083
100
14.422
标定阻值与温度之间的对应关系
,
考核出其温
度系数
，
温度变化曲线及温度变化规律如图
6
所示
。
图
6
温度变化曲线图
Fig.
6
Figure
for
the
temperature
variation
温度变化规律如式
(5)
计算
：
Y
二
0
.
0341
X
+
11
.
019
(5)
式中
:
X
---
温度
,
°C
；
Y------
电阻标准值
,
Q
。
将验证电阻件放置在热反射测温系统控温平
台上
，
中
间
涂
抹
以
导
热
硅
脂
，
控
温
台
温
度
设
定
为
30C
。
给验证电阻件施加
0.2A
电流
，
热反射测温
系统测温结果如图
7
所示
。
图
7
0
・
2A
电流下热反射系统测温结果
Fig.
7
Temperature
measurement
results
at
0.
2A
施加不同电流
，
加电前后电压值
，
电阻温度标准值
及热发射测温系统测量的温度值
，
误差如表
2
所示
。
表
2
测温数据
Tab.
2
Temperature
data
电流
电压
电阻
温度标准
系统测量
误差
值
/A
值
/V
值
/Q
值
/C
温度值
/C
/C
0.201
2.
4899
12.388
40.
15
40.50.35
0.301
3.949
13.
12061.6
59.7
1.9
0.401
5.
73
14.289
95.9
89.2
6.7
3.
2
结果分析
由以上验证结果数据可知
,
通过热电法计算出
验证电阻件温度值
，
与热反射测温系统测量的电阻
件温度值相比较
，
在低温时数据显示有着非常好的
一致性
，
但在高温时热反射测温系统测量温度比实
际温度偏低
。
这是由于一般情况下都认为热反射率
校准系数
C
TR
,
即温度与反射率的变化是一个常数
,
是线性的
,
但通过
Assaad
El
Helou
等研究表明
［
12
］
，
在
固定的波长下仔细测量金在
25C
〜
100C
之间的
C
t
r
,
发现该系数不是恒定的
，
是非线性的
，
该
C
t
r
随温度
的增加而逐渐降低,变化规律如图
8
所示
。
验证结果在高温时与实际温度偏差较大
，
与热
反射率校准系数
C
t
r
非线性有关
,C
t
r
随温度的增加
而逐渐降低
，
趋势正好与实际验证结果数据相一
致
。
说明此验证方法是准确可靠的,后续将对测量
高温时的结果如何修正进行研究
。
4
结束语
本文提出了一种验证热反射测温系统测温准
•
48
•
宇航计测技术
2021
年
[2]
M.
G.
Burzo
，
P
.
L.
Komarov
，
Peter
E.
Raad.
Pixel-by-
pixel
calibration
of
a
CCD
camera
based
thermoreflectance
thermography
system
with
nanometer
resolution
[
C]
.
Ther
mal
Investigations
of ICs
and
Systems
，
2009.
[
3]
P
.
L.
Komarov
，
M.
G.
Burzo
，
Peter
E.
Raad.
CCD
ther
moreflectance
thermography
system
methodology
and
exper
imental
validation[
C]
.
12th
HERMINIC
，
2006.
[
4]
P
.
L.
Komarov
，
M.
G.
Burzo
，
Peter
E.
Raad.
A
ther
moreflectance
thermography
system
for
measuring
the
tran
sient
surface
temperature
field
of
activated
electronic
de
图
8
C
t
r
变化规律
vices
[
C
]
.
22nd
IEEE
Semiconductor
Thermal
Measure
Fig.
8
The
variation
of
C
t
r
ment
&
Management
Symposium,2006
：
199
〜
204.
[5]
翟玉卫
，
梁法国
，
郑世棋等
.
用热反射测温技术测量
GaN
确度的验证方法,通过制作夹具
，
利用半导体工艺
HEMT
的瞬态温度
[J]
.
半导体技术
,2016,41(1)
：
43
〜
47.
[6]
翟玉卫
，
郑世棋
,
刘岩等
.
热反射测温中基于随机共振的
制备金薄膜电阻
，
键合薄膜电阻与夹具的方式研制
出验证电阻件
，
通过搭建温度定标装置对验证电阻
微小信号测量
[J].
计量学报
,2019,40(4)
：
618
〜
624.
[7]
丁晨
,
乔玉娥
，
刘岩等
.
用于在片测试系统整体校准的
件进行温度系数考核
,
利用热电法计算出验证电阻
件温度值
，
与热反射测温系统测量的验证电阻件温
电阻标准件
[J].
中国测试
，
2019.
45(7)
：
97
〜
101,116.
[8]
[
美
]
夸克
，
[
美
]
瑟达
,
韩郑生等译
.
半导体制造技术
[M].
电子工业出版社
，
2015.6.
度值相比较
，
实现了对热反射测温系统测温准确度
的验证
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本文提出的热反射测温系统测温准确度
验证方法
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可以解决热反射测温系统测温准确度验
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声
明
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,
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