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高频高功率器件的热成像表征
Kazuaki Yazawa1,2, Dustin Kendig1, Ali Shakouri2
1 Microsanj LLC., Santa Clara, CA 95051, USA
2 Birck Nanotechnology Center, Purdue University, West Lafayette, IN 47907, USA
摘要——我们介绍了热反射成像方法，以及时间分辨率为100 ns，空间分辨率为亚微米，用于高速射频和通信器件的瞬时热特性表征的实验设备。热反射是一种非侵入性和非接触的成像方法。我们独特的方法可以将图像采集时序和器件偏置互锁，以使在温度场和2D图像中都可以捕获高速热响应。在描述热反射技术后，我们给出了一些当代RF器件瞬态热特性的例子，包括：氮化镓（GaN）或砷化镓（GaAs）多指高电子迁移率晶体管（HEMT），GaN异质结双极晶体管（HBT） 和芯片上的晶体管阵列。这些器件的特征参数是都在亚微米范围内。
关键词——热成像; 亚微米过热点; HEMT; HBT; 微波器件
I.简介
当今先进的具有极小特性高速射频通信器件给热管理[1]和热封装[2]带来了新的挑战。在找到解决这些挑战的方法之前，分析热时间响应和潜在峰值温度以确定热行为是否会干扰开关速度[3]或影响芯片的长期可靠性[4]非常重要。我们提出热反射成像的方法[5]和具有100ns时间分辨率，微米分辨率的瞬态热特性的器件。
热调制反射谱是一种非侵入性和非接触成像方法，利用光反射率随材料表面温度变化而变化的物理特性。通过使用可见光，空间分辨率远高于红外（IR）热成像[6]。我们独特的方法将图像采集的时序和器件偏置互锁，这样在温度曲线和2D平面图像中都能捕获高速热响应。
我们将介绍热反射和时间序列成像技术的基本原理。接下来将举一些近年射频设备顺态热特性的事例包括：氮化镓（GaN）或砷化镓（GaAs）多指高电子迁移率晶体管（HEMT），氮化镓（GaN）异质结双极晶体管（HBT）和芯片上的晶体管阵列[7]。这些器件的特征参数是在亚微米范围内有栅极长度和沿着指状物不均匀加热。在介绍中，我们将展示器件的热特性的细节，这对于电路设计和封装热特性的设计非常重要。
II.热成像方法
随着温度的变化，热反射强度的变化可以表示为线性关系，如公式（1）。因此，一旦已知热反射系数Cth，就可以找到局部温度。Cth是一种材料特性，它是照明波长的函数，表示均质材料的均匀表面[8]。
其中，R（）是局部反射强度，T是局部温度
A.可见波长热成像
先进的高频率大功率的晶体管和其他电路的特征参数是，热图像空间分辨率比红外线波长的波长更小，范围〜3-10s微米。我们探讨了一种方法来确定单个加热线的真实温度，与光学强度分布的高斯分布假设的光学波长相比，具有更小的尺寸[9]。即使将此方法应用于红外线，可用分辨率也不足。在可见波长范围内使用光学器件对于用于器件热表征的分辨率具有很大的优势。另外，根据维恩定律热点的温度不足够发出热能辐射信号。因此，我们使用使用不同于黑体热辐射的物理学。如前所述，表面的光反射率随着材料温度的变化而变化，并且在电子器件的感兴趣的温度范围内该关系是足够线性的[10]。所以，成像传感器，应该对可见波长敏感，使得我们可以使用顺序和工业级电荷耦合器件或类似技术的数字成像传感器，用可承受的成本提供高分辨率（大量像素）。
B.照明颜色和系数的选择
作为波长的函数的光衍射极限d，由阿贝分辨率知道的物镜数值孔径n确定，如等式2所示。
通常，530nm LED用于照明，导致在显微镜的光学物镜具有0.75的数值孔孔下空间分辨率为353nm。我们的电荷耦合成像仪在一个帧中具有1626 x 1236像素的分辨率。
我们通常使用这种波长的原因是因为金属表面的反射率在该波长下敏感，并且与其他波长相比更小。反射率Cth,是波长的函数，并且幅度和极性变化取决于材料。举个例子，铝显示正系数，但对其他波长显示负系数[11]。金电接触后的金属化是普遍的。如果在金图案上施加钝化层，则其通常足够薄以允许光波通过，使得金表面处的反射不受损害。
C.瞬态热成像技术
随着电气特性变小，因为热容量 C （热质量）的体积效应减小的很快，它也与电容有关。
|
RC |
(3) |
对于最简单的情况，如下所示器件的热响应数据可以通过简单模型最小化预测误差来实现数字拟合。
其中，R是热阻[K / W]，w是施加功率[W]，t0是由于从初始热源的扩散引起的时间延迟[s]，T0是初始温度[K]（假设器件在t = 0时均匀保持T0）。
减小电容热容是提高晶体管技术的开关性能的目标。由于这种基本效应，高速高速瞬态热现象将成为一个问题，并且必须在现实设备中评估。如果电路被正确嵌入，欧姆温度测量提供高速瞬态热信息。但是，它仍是极小温度信息，并且不提供2-D设备温度分布特点。我们的方法使用光学和电子学，使得瞬态响应与热响应一起被充分捕获。
然而，由于热反射系数Cth非常小，为10-4或更少一些[12]，所以在一段时间内读平均数来减少温度随即读数的误差。在设备的重复偏置脉冲中，除了随机误差器件的温度应该完全相同。我们用电子电路来获取精确的同步和锁定时间；偏置脉冲的应用，照明和图像采集。采用较长的平均时间减少了温度数据的标准偏差[13]。当我们需要采取瞬态热响应时，这种电锁定技术是更有益的。如图1所示，通过每次非常少地移动定时，在100s或1000s的重复和平均之后组合整个瞬态响应信号。这种技术单独也适用于红外热像仪，但需要更复杂的传感器。到红外热图用[14]但更复杂的传感器是必需的。
采集定时（按周期移动）
温度数据点沿偏置周期
图1.时序图（示例），显示了瞬态热反射成像信号的互锁时序。
D.测量的器件设置
热反射方法已经用具有平面扫描能力的激光泵浦方法[15]来确定薄膜的导热性[16]。即使使用相同的物理原理，我们的方法更侧重于设备的特点，这是二维的。器件偏置通常从外部源施加，例如具有信号发生器的恒定电压源。偏置的波形被低空占比短持续时间方波脉冲控制，例如5毫秒步进偏置ON和100毫秒OFF。这是因为，每当我们施加偏压，测量由于施加的偏压引起的温度变化时，我们的方法参考温度OFF状态。目标被测器件（DUT）位于显微镜下并连接到偏置源。LED照明源和电荷耦合成像器连接到信号控制器单元，用于高速互锁。
在电连接完成后，必须能够把热反射系数表征出来。这个过程有点类似于使用热成像的发射率校准。然而，系数Cth是被表征的表面（表面性质）的唯一值，因此对于大多数情况，每个试样仅一次的表征是足够的。
III.与红外热像仪的比较
如上所述，由于空间分辨率差异接近一个数量级，将IR热成像与热反射成像进行比较是不公平的。但是仍需要两种技术的重叠规格的一些温度测量情况。图2展示出了比较两种成像技术的试验。为了强调我们可以看到的是红外热像仪难以看到的，左手侧图像示出了具有施加的3V 50毫秒宽脉冲偏置的温度等高线图，并且右手侧示出了具有红外热成像的几乎稳态的热等高线图。放大率的差异取决于物镜的可用性。显然，在短时间内，在时间远小于达到稳态的时间时，只有蛇形加热器加热并且周围保持冷。随着时间流逝，热量通过扩散扩散到周围区域，这取决于热性能。在这种情况下，加热器区域（右）仍然保持高温，加热器区域的中心区域具有峰值温度，在矩形区域中出现均匀加热一个合理的温度曲线。
图2.相同矩形蛇形加热器的热反射图像（左）和红外热成像（右）。左侧显示了应用50mu;s脉冲的热反射率图像和温度曲线，右侧显示具有热分布的稳态红外热图像。
IV. 图像示例
在本节中，展示三种不同高速装置的热成像示例。
A. 砷化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）器件
研究了基于氮化镓高电子迁移率晶体管器件的单片微波集成电路（单片微波集成电路）。将被测器件放置在封装中，并将其引线接合到外部引线。电极是在芯片上的金沉积迹线，并且被电介质钝化覆盖。在感兴趣区域（ROI）中，有6个栅极，4个漏极和3个源极焊盘，作为平行配置的阵列如图3所示。
图3. 器件光学图像。 6条非常细的垂直线是栅极，最宽的焊盘是源极，4个中等宽度的焊盘是漏极。
图4示出在施加偏置脉冲之后的2mu;s和3mu;s处的温度图。在这个特定的器件中，在漏极区域中加热后栅极处非常快速的加热。栅极，漏极和源极焊盘的温度时间曲线如图5所示。该图显示了在特定位置的温度响应的进一步细节。栅极面积在小于3mu;s内几乎加热到峰值温度的1/3。漏极耗时5 mu;s，源极耗时8 mu;s达到相同的电平。在该特定装置中，瞬态热分布展示了与单一热质量指数相应相比更复杂的形状。这种复杂性的原因还没有被揭示出来。也许三维（深度）结构使热响应分为几个步骤。
图4.如图3所示的单个晶体管阵列特征中的2mu;s和3mu;s的热图。
图5.在栅极，漏极和源极焊盘线上的温度上升的时间响应，具有与图3相同的特征参数。
B.氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）器件。
高电子迁移率晶体管器件特点在于理解它的热分布响应双指氮化镓/氮化铝镓功率晶体管的表面上的10mu;s脉冲。测量电压脉冲的瞬态热上升，其中上升时间为3ns，漏极施加到20.5V栅极保持在 2V。脉冲宽度为1,10和100mu;s，占空比为15％。 通道完全打开（VG = 2V）时脉冲幅度为20.5V，产生饱和漏极电流ID 为 280mA，总晶体管功率为5.7W（19W / mm）。具有500ns时间分辨率的热反射图像显示了相邻高电子迁移率晶体管的不同热瞬态上升时间。观察到小栅极金属（〜1mu;m）和氮化镓通道（L〜4mu;m，W =150mu;m）比漏极接触金属加热快2〜3倍。栅极金属和氮化镓通道在上升的电脉冲边缘之后的5至10mu;s内达到热稳态。然而，漏极金属在〜100mu;s之前温度上升（68℃）不会达到稳态。 图6示出了在施加偏置脉冲之后晶体管特征从上表面开始并具有颜色标度10mu;s的温度图。对于10
mu;s脉冲宽度的瞬态温度响应如图7所示。在漏极金属处发现拟合的一阶时间常数为10mu;s。基于这种表征，可以分析预测瞬态温度分布。
图6.HEMT特征尺寸（左），采用色温标度的10mu;s偏置的对应的热图像（右）。VD = 20.5V，ID = 280mA，VG = 2V。
图7. 氮化镓 HEMT的温度时间曲线。VD= 20.5 V, ID = 280 mA, VG = 2 V.
C. 氮化镓双极性晶体管（HBT）器件
图8展示双击晶体管器件在氮化镓技术下非常高频运行，以20倍放大率正确捕获器件特点。
图8. HBT器件的光学图像。
图9示出了在施加3V和20mA偏压脉冲之后的热轮廓图。对于100 ms脉冲宽度，脉冲的占空比为10％。LED照明的波长为530nm。
为了得到图10中的晶体管特征的更详细的信息。图11所示基于公式4得到时间常数的瞬态温度曲线。
图9.具有100us，10％占空比偏置（3V，20mA）HBT器件的时间序列热分布图。
图10.光学图像中感兴趣的位置。
图11.热时间响应和曲线拟合。注意：温度（Y轴）是辅助单元。
如图11所示，热响应与单热质量的解析指数曲线非常吻合—参见公式（4）。通过最小化均方误差来识别参数，并总结在表1中。时间延迟分量t0 有时发生是因为电子功耗差分时间响应。该数据可以作为评估开关性能的参考。
表1.时间常数和延迟时间识别。
该装置在热特性方面比HEMT装置简单。这可能是由于与HEMT相比双极器件结构较不复杂。
结论
我们通过三个先进高频高功率的射频器件瞬态热特性的例子了解热反射热成像方法，包括：氮化镓（GaN）或砷化镓（GaAs）多指高电子迁移率晶体管（HEMT），GaN异质结双极晶体管（HBT） 和芯片上的晶体管阵列。这些器件的特征尺寸在亚微米范围内。用于减小晶体管的电容的工艺还减少了热质量，它是高分辨率热时间响应分析是必要参数，传统红外热成像因而分析较困难。利用热反射瞬态热成像技术，我们成功地演示了时间分辨率为100 ns，亚微米空间分辨率的高频率高功率器件的热特性。特别的，分析热响应可以用于识别单个设备特征的时间常数和初始时间延迟，以更好地理解和识别潜在的时序问题。
致谢
作者感谢Analog Devices公司（formally Hittite
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