CN104713651B - 一种高空间分辨力及高时间分辨力的红外热成像测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高空间分辨力及高时间分辨力的红外热成像测温方法，涉及半导体器件温度测试领域；（a）通过调整瞬态红外设备的聚焦区域，用瞬态红外设备测量被测件两个温度明显不同区域的温度，得到两条温度随时间变化的曲线；（b）分析两条温度变化曲线，判断被测件进入准稳态的时间点；（c）用瞬态红外设备测量目标区域的温度，得到目标区域的温度变化曲线；（d）用显微红外热像仪测量目标区域的温度，得到目标区域的温度分布图像；（e）得到目标区域任意时刻，任意位置的准确温度值。（f）得到任意时间点整个区域的温度分布图像，也可以得到任意位置整个时间区域内的温度变化曲线。本发明能满足高时间分辨力和高空间分辨力的温度检测。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件温度测试技术领域。
背景技术
现有红外测温设备主要分为点测温式和成像测温式两大类。点测温式红外设备往往采用单独的探测器，如单个光敏二极管或热电堆，具备较高的响应速度和采样速度，能够满足对快速变化温度信号的检测需求，如瞬态（transient）红外设备。成像式红外设备一般采用面阵式探测器，如多个光敏二极管组成的阵列式探测器，能够满足对被测件的成像测试，具备较好的细节分辨能力，即空间分辨力，如显微红外热像仪（Infrared thermalimager）。
现有的瞬态红外测温设备最高可以检测周期为20kHz的瞬态温度信号。由于只有一个探测器，因此该类设备只能测量某一区域的平均温度变化情况，检测结果以温度-时间曲线的形式给出。其代表的意义是探测器聚焦范围内被测器件平均温度随时间的变化情况。由于瞬态红外设备只有一个探测器，其最小空间分辨力为32μm*32μm，无法满足对于微米量级微波器件的检测需求。
显微红外热像仪最高可以实现2.8μm空间分辨力的检测，但是由于采用了高集成度的512*512阵列式探测器，显微红外热像仪测量速度较慢，只能实现帧频为50Hz以下的检测，无法满足对高速信号的检测需求。
现有红外测温技术的优点有：
1）瞬态红外设备可以检测高速变化的温度信号，具备较高的时间分辨力；
2）显微红外热像仪可以实现成像式检测，能够分辨微小结构的温度分布，具备较高的空间分辨力。
其缺点如下：
在微波功率器件温度检测行业中经常需要对高速变化的温度信号进行检测，即需要具备较高时间分辨力的设备；同时需要对微小的细节（微米量级）进行准确检测，即需要较高的空间分辨力。现有的瞬态红外设备和显微红外热像仪无法同时满足高时间分辨力、高空间分辨力的温度检测。在对温度高速变化的微小结构进行温度检测时必然会低估真实的峰值温度。如微波功率器件行业经常要对处于脉冲工作条件下的3μm～4μm的发热区进行温度检测，如果低估其温度将会对器件性能评定和可靠性评估造成较大影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种高空间分辨力及高时间分辨力的红外热成像测温方法，能够同时满足高时间分辨力和高空间分辨力的温度检测，使温度高速变化的微小结构的温度检测更加精确，确保了对半导体器件性能评定、可靠性评估及检测的准确性。
为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：
一种高空间分辨力及高时间分辨力的红外热成像测温方法，包括如下步骤：
（a）通过调整瞬态红外设备的聚焦区域，用瞬态红外设备测量被测件两个温度明显不同区域的温度，得到两条温度随时间变化的曲线；
（b）分析两条温度变化曲线，判断被测件进入准稳态的时间点；
（c）用瞬态红外设备测量目标区域的温度，得到目标区域的温度变化曲线；
（d）用显微红外热像仪测量目标区域的温度，得到目标区域的温度分布图像；
（e）得到目标区域任意时刻，任意位置的准确温度值；
具体步骤如下：
设目标区域的面积为s，将目标区域分为n个等面积的小矩形区域，每个区域的面积为显微红外热像仪像素所对应的面积s i，每个小面积对应的发射率为ε i ；
（e1）用显微红外热像仪测量瞬态红外设备聚焦区域各点的发射率ε i , 平均发射率ε a ，各点的空间分布温度T i ，并计算平均温度T ai ；
（e2）利用瞬态红外设备测量在相同环境条件下测量区域整体发射率ε n 和各时间点的温度T t ，并计算平均温度T at ；
（e3）检查上述数据的关系，应有ε a =ε n 和T ai =T at ；
（e4）找到显微红外图像的峰值温度T imax ，计算各个点对应的权值w i =T i /T imax ；
（e5）选取瞬态红外设备温度变化曲线的任意一点T t ，此时有 ，式中：△T是显微红外测试结果峰值温度点的温度在时间t时相对于时间平均温度的变化量。
对上式进行运算，得到：，则各个点在时间t时对应的瞬态温度；
（f）得到任意时间点整个区域的温度分布图像，也可以得到任意位置整个时间区域内的温度变化曲线。
进一步的技术方案，步骤（e1）中测量各点的空间分布温度T i 的方法是确定显微红外热像仪检测图像的索引值与温度的对应关系。
进一步的技术方案，步骤（e1）中待测区域各点的发射率ε i 和各点的空间分布温度T i 的具体测量方法是，使被测器件处于某一明显高于环境温度的恒温条件下，测量瞬态红外待测区域各点的发射率ε i ，给被测器件加电，待加电条件稳定后，测量各点的空间分布温度T i 。
进一步的技术方案，步骤（e2）中区域整体发射率ε n 和各时间点的温度T t 的具体测量方法是，使被测器件处于某一明显高于环境温度的恒温条件下，测量瞬态红外待测区域ε n ，给被测器件加电，待加电条件稳定后，测量各时间点的温度T t ，得到温度T t 随时间的变化曲线。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明能够同时满足高时间分辨力和高空间分辨力的温度检测，能够使得温度高速变化的微小结构的温度检测更加精确，有效提高检测结果的最高温度，确保了对半导体器件性能评定、可靠性评估及检测的准确性。本发明将瞬态红外设备检测结果与显微红外设备检测结果相结合，保证了检测结果的准确性，设计专门的数据分析、合成算法，用数字图像处理的方式实现得到高空间分辨力以及高时间分辨力的温度检测结果，空间分辨力达到2.8μm，同时，时间分辨力达到3μs，提高了温度检测的精度。
附图说明
图1是本发明原理图；
图2是本发明瞬态红外设备检测区域；
图3是本发明准稳态时间点示意图；
图4是本发明用瞬态红外设备测量目标区域的温度曲线图；
图5是本发明与仿真结果对比图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，一种高空间分辨力及高时间分辨力的红外热成像测温方法，包括如下步骤：
（a）通过调整瞬态红外设备的聚焦区域，用瞬态红外设备测量被测件两个温度明显不同区域的温度，温度明显不同区域是指应能明显区分两个区域的温度曲线，这两区域的温度一般不小于最高温度的10%，得到两条温度随时间变化的曲线。
（b）分析两条温度变化曲线，判断被测件进入准稳态的时间点。将得到的两条温度变化曲线进行比较，找到两条曲线温度出现明显分离的时间点，将这个时间点称为“准稳态时间点”。如图3所示，温度上升过程中，在准稳态时间点之前，器件所有位置温度是相同的；在温度下降阶段，在准稳态时间点之后，器件所有位置温度是相同的。
（c）用瞬态红外设备测量目标区域的温度，得到目标区域的温度变化曲线，图2中白框即为目标区域；该曲线如图4所示，由50000个点组成。
（d）用显微红外热像仪测量目标区域的温度，得到目标区域的温度分布图像。
（e）得到目标区域任意时刻，任意位置的准确温度值。
设目标区域的面积为s，将目标区域分为n个等面积的小矩形区域，每个区域的面积为显微红外热像仪像素所对应的面积s i ，最小为1.6μm×1.6μm，每个小面积对应的发射率为ε i 。
根据瞬态红外设备测试结果，器件在加脉冲偏置信号且进入稳定工作状态后，其温度会随着脉冲信号呈现幅值稳定的周期性波动。此时器件的不同区域的温度都应存在一个相同周期的波动。在两个准稳态时间点之间，不同区域温度波动的幅值随着与发热区距离的增加而减小；在上升准稳态之前和下降准稳态之后，所有位置的温度保持一致。根据上述理论，算法具体为：
（e1）用显微红外热像仪测量瞬态红外设备目标区域各点的发射率ε i , 平均发射率ε a ，各点的空间分布温度T i ，并计算平均温度T ai 。测量时，首先使器件处于某一明显高于环境温度的恒温条件下，测量瞬态红外待测区域各点发射率ε i 计算得到平均发射率ε a ，给器件加电，待加电条件稳定后，测量各点的温度T i ，并计算平均温度T ai 。注意，T i 是关于空间分布的数据。
显微红外热像仪检测图像用颜色来表示温度，则颜色应该与温度之间存在着某种对应关系，找到这种对应关系就有可能从图像中提取出温度值。显微红外热像仪软件输出的tiff图像的像素点数量与探测器阵列式对应的，也就是每个像素点的颜色对应着一个探测器的输出或者说温度，这就给由颜色提取温度提供了基础。Tiff图像采用的是索引色编码方式，共128个索引值。这样就可以将颜色与温度之间的对应关系转化为索引值与温度之间的对应关系。因此，只要找到温度的最大值和最小值，建立索引值与温度的线性对应关系，根据索引值就可以确定各个颜色对应的温度值。
（e2）利用瞬态红外设备测量在相同环境条件下测量区域整体发射率和温度；测量时使被测器件处于某一明显高于环境温度的恒温条件下，测量瞬态红外待测区域ε n ，给被测器件加电，待加电条件稳定后，测量各时间点的温度T t ，得到温度T t 随时间的变化曲线，并计算整条曲线的平均温度T at ；注意，T t 是关于时间分布的数据。
（e3）检查上述数据的关系，应有ε a =ε n 和T ai =T at 。
（e4）找到显微红外图像的峰值温度T imax ，计算各个点对应的权值w i =T i /T imax 。
（e5）选取瞬态红外设备温度变化曲线的任意一点T t ，此时有 ，式中：△T是显微红外测试结果峰值温度点的温度在时间t时相对于时间平均温度的变化量。对上式进行运算，得到：，则各个点在时间t时对应的瞬态温度。
经过上述推导可见，由高空间分辨力但是低时间分辨力的显微红外测试结果和高时间分辨力低空间分辨力的瞬态红外测试结果可以得到高空间分辨力、高时间分辨力的温度检测结果。可以得到任意时刻，任意位置的准确温度值。
（f）得到任意时间点整个区域的温度分布图像，也可以得到任意位置整个时间区域内的温度变化曲线。
虽然显微红外热像仪每个像素点的对应的区域大小为1.6μm×1.6μm，但是，受限于有限的空间分辨力2.8μm，最终的瞬态温度分布数据也只能还原出2.8μm空间分辨力的图像。
利用LabVIEW自带的图像处理模块，实现了脱离显微红外热像仪的情况下对显微红外热图进行任意位置的线分析和区域分析方式，并且可将选定的线区域或者矩形区域的数据全部提取出来自动存入excel文件中。
根据步骤（e）中的算法，编写软件。依据软件对数据进行计算，将得到50000份数据，每一份数据代表被测区域在某一时间点上的温度分布数据。
实现将处理的数据进行显示的功能：一，将任意时间点整个区域的温度分布情况显示出来，即将处理后的数据转换成伪彩色图像；二，将任意位置整个时间区域内的温度变化显示出来，即将处理后的数据转换成温度随时间的变化曲线。
根据红外测温的理论，由于缺乏时间分辨力和空间分辨力，现有的瞬态红外设备或者显微红外热像仪测量微小结构的温度都会低于真实值。对某型号GaN器件进行瞬态红外温度测试时其峰值温度为140℃，显微红外热像仪检测最高温度为125℃。利用本发明提出的方法对其进行处理后得到该店对应的温度分布矩阵，整个区域的最高温度为167℃，图5给出了本方法与仿真结果的对比，本发明可以有效提高检测结果的最高温度，证明本方法是有效的。
Claims (4)
1.一种高空间分辨力及高时间分辨力的红外热成像测温方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
（a）通过调整瞬态红外设备的聚焦区域，用瞬态红外设备测量被测件两个温度明显不同区域的温度，得到两条温度随时间变化的曲线；
（b）分析两条温度变化曲线，判断被测件进入准稳态的时间点；
（c）用瞬态红外设备测量目标区域的温度，得到目标区域的温度变化曲线；
（d）用显微红外热像仪测量目标区域的温度，得到目标区域的温度分布图像；
（e）得到目标区域任意时刻，任意位置的准确温度值；
具体步骤如下：
设目标区域的面积为s，将目标区域分为n个等面积的小矩形区域，每个区域的面积为显微红外热像仪像素所对应的面积s i，每个小面积对应的发射率为ε i ；
（e1）用显微红外热像仪测量瞬态红外设备目标区域各点的发射率ε i , 平均发射率ε a ，各点的空间分布温度T i ，并计算平均温度T ai ；
（e2）利用瞬态红外设备测量在相同环境条件下测量区域整体发射率ε n 和各时间点的温度T t ，并计算平均温度T at ；
（e3）检查上述数据的关系，应有ε a =ε n 和T ai =T at ；
（e4）找到显微红外图像的峰值温度T imax ，计算各个点对应的权值w i =T i /T imax ；
（e5）选取瞬态红外设备目标区域的温度变化曲线的任意一点T t ，此时有 ，式中：△T是显微红外测试结果峰值温度点的温度在时间t时相对于时间平均温度的变化量；对上式进行运算，得到：，则各个点在时间t时对应的瞬态温度；
（f）得到任意时间点整个区域的温度分布图像，也可以得到任意位置整个时间区域内的温度变化曲线。
2.根据权利要求1所述的一种高空间分辨力及高时间分辨力的红外热成像测温方法，其特征在于步骤（e1）中测量各点的空间分布温度T i 的方法是确定显微红外热像仪检测图像的索引值与温度的对应关系。
3.根据权利要求1所述的一种高空间分辨力及高时间分辨力的红外热成像测温方法，其特征在于步骤（e1）中待测区域各点的发射率ε i 和各点的空间分布温度T i 的具体测量方法是，使被测器件处于某一明显高于环境温度的恒温条件下，测量瞬态红外待测区域各点的发射率ε i ，给被测器件加电，待加电条件稳定后，测量各点的空间分布温度T i 。
4.根据权利要求1所述的一种高空间分辨力及高时间分辨力的红外热成像测温方法，其特征在于步骤（e2）中区域整体发射率ε n 和各时间点的温度T t 的具体测量方法是，使被测器件处于某一明显高于环境温度的恒温条件下，测量瞬态红外待测区域ε n ，给被测器件加电，待加电条件稳定后，测量各时间点的温度T t ，得到温度T t 随时间的变化曲线。
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