CN110879623A - 一种具有校正功能的单粒子试验温度控制装置及温控方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有校正功能的单粒子试验温度控制装置及温控方法，装置包括含加热片的一体化表贴工装、含功率热耗校正功能的温度控制模块以及多位置测量校正的探测模块，方法流程包含基于功率热分析的芯片试验温度设定，基于芯片温度探测的装置输出设置以及试验过程控制参数确定。本发明通过设计专用化的表贴加热工装，实现试验器件与加热位置的直接接触，提升效率，通过控制加热面积保证均匀性，温度控制模块具有基于试验器件功率热耗分布仿真数据施加温度校正功能，提升器件温控精度及准确性，同时，探测模块具有双路探测器，通过校正探测，确定试验过程控制参数。本发明装置组成简单，通用性强、准确性高，相应试验方法具有易于工程化特点。

Description

一种具有校正功能的单粒子试验温度控制装置及温控方法
技术领域
本发明涉及一种具有校正功能的单粒子试验温度控制装置及温控方法，属于单粒子试验技术领域。
背景技术
当半导体器件应用在空间环境中时，空间高能粒子会穿透半导体器件内部并在路径上产生电离，电路节点会吸收电离产生的电子和空穴从而导致电路错误，这种效应称为单粒子效应。在地面上验证半导体器件的抗单粒子效应能力主要依靠地面重离子加速器来模拟单粒子试验，而在空间中环境包含多种因素，其中温度对器件单粒子效应具有明显影响。因此，为了有效评估器件的应用能力，需要开展在温度和辐照综合条件下进行试验，因此需要研制单粒子试验温度控制装置。
对于开展温度应力下单粒子试验，国内外均开展过相应研究，常见的试验器件加热方法可分为两种，一种是采用电阻丝进行加热，适用于利用锎源进行单粒子试验，可将电阻丝与其腔体中与器件接触的铜质材料连接进行加热控制，但是试验装置复杂，不适用于重离子单粒子试验，另一种方法是利用器件自身功耗产生的热量，通过控制器件功耗达到控制温度的目的，该方法不易控制，且对器件容易造成损伤。
近年来，有报道采用加热片或者改制加热器等方式进行器件加热的单粒子试验温度技术，加热片与器件直接或间接接触，通过控制器对加热片进行反馈控制，实现对器件的加热，通过集成化设计可以将温控装置小型化，以便于开展单粒子试验。
通过对采用加热片方式进行器件加热的单粒子试验温度控制装置的分析，主要存在着以下两个不足：一是装置设定输出温度为试验目标温度，试验过程中没有考虑器件工作过程中由于功耗产生的温升，尤其是对功率类器件，功耗温升较大，因此会对试验结果造成偏差；二是通常探测位置为器件管壳或外围边缘，尤其器件存在温度梯度，探测温度与芯片试验温度存在差异。目前，单粒子试验温度均没有考虑偏差的校正，另外，实现器件加热的工装设计具有优化设计空间，因此温控装置和试验方法需要进一步改进和完善。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于热分析与位置探测双校正的表贴式单粒子试验温控装置及方法，用于开展集成电路不同温度环境下单粒子效应试验检测，通过热分布分析及位置探测双校正，能够有效实现器件在目标温度下进行试验。
本发明的技术解决方案是：
一种具有校正功能的单粒子试验温度控制装置，包括：表贴工装、温度控制模块以及探测模块；
表贴工装用于双列直插封装、蝶形封装类型器件的安装固定，表贴工装上表面中心位置设置有加热片安装槽，加热片镶嵌其中且加热片的上表面与表贴工装上表面平齐；
温度控制模块以目标器件试验状态下的热分布结果为输入条件，与表贴工装中嵌合的加热片连接，以设定的目标温度值控制输出至加热片的功率，使加热片升温；
探测模块包含双路探测器，分别与器件芯片以及器件管壳相接触，探测器引线与温度控制模块连接，将采集到的器件芯片的实时温度和器件管壳的实时温度反馈给温度控制模块。
进一步的，待测器件通过螺丝与表贴工装进行紧固安装，且待测器件与表贴工装之间设置有导热硅脂或高温双面胶，加热片对待测器件进行接触式加热。
进一步的，表贴工装采用铝或铜，通过若干金属导热安装柱固定在工作台面上，表贴工装为竖直放置状态，进而令目标器件处于竖直状态。
进一步的，温度控制模块接收探测模块采集到的器件芯片的实时温度和器件管壳的实时温度，根据器件芯片的实时温度调整输出功率，直到器件芯片的温度达到设定的目标温度值，记录此时的器件管壳温度以及器件管壳温度与器件芯片温度的对应关系。
进一步的，进行单粒子试验时，去掉器件管壳上表面盖板使器件芯片裸露，根据器件管壳温度与器件芯片温度的对应关系，使用管壳温度作为试验过程的控制参数。
进一步的，所述目标器件试验状态下的热分布结果具体是指：对目标器件进行热仿真分析确定的器件芯片自身由于功率产生的温升。
进一步的，本发明还提出一种单粒子试验温度控制方法，步骤如下：
(1)基于功率热分析的器件芯片试验温度设定；
具体为：首先明确开展单粒子试验的器件芯片的目标温度值T2，基于器件热仿真分析确定器件芯片自身由于功率产生的温度T1，则器件芯片所需施加的温度值T＝T2-T1。
(2)设置单粒子试验温度控制装置的输出；
具体为：设定温度控制装置输出值T3<T，同时利用探测模块的双路探测器监测芯片温度T5和器件管壳温度T4，逐渐调整温度控制装置输出值T3，使芯片温度T5等于目标温度值T2，并记录此时器件管壳温度T4以及器件管壳温度T4与芯片温度T5的对应关系。
(3)确定单粒子试验过程温度控制参数。
具体为：将器件管壳温度T4作为单粒子试验过程中的温度控制参数，依据器件管壳温度T4与芯片温度T5的对应关系进一步判断单粒子试验过程中器件芯片的温度。
本发明与现有技术相比有益效果为：
(1)本发明具有以热分布仿真为输入条件的温度校正功能，依据试验器件工作条件下功率发热情况，设置温度控制装置的输出功率，功耗因素的引入使温度控制精细化，特别是对于大功率器件，如果忽略器件功耗，设定温度与实际温度偏差会存在较大差异，可实现直接设定目标温度进行加热的误差校正；
(2)本发明探测模块具有双路探测器，分别用于试验器件芯片温度探测和器件管壳温度探测，试验前分别对试验器件的芯片和管壳温度进行检测，记录芯片温度达到要求时的管壳测量温度，试验过程中通过监测管壳温度，以保证芯片温度的稳定，从而实现单一管壳温度检测方式的误差校正；
(3)本发明表贴工装为采用加热片嵌入、直接接触方式与器件连接；根据双列直插、蝶形等封装类型器件试验中可接触面积情况，设计表贴工装的尺寸以及加热片大小，表贴工装起到支撑、固定作用，嵌入加热片通过导热硅脂或高温双面胶直接与器件受热面接触，相比现有加热片加热金属，再将热量传递给器件的方式，具有良好的加热效率，相比加热片直接贴在器件背面具有更紧密接触，具有良好受热均匀性；另外，表贴工装具有安装通孔，采用螺丝旋钮可调整接触面高度及平整性，同时螺丝旋钮可直接安装于现有单粒子试验中应用的多孔板，具有良好的兼容性。
附图说明
图1是本发明加热装置与试验器件安装示意图；
图2是本发明表贴工装示意图之一；
图3为本发明表贴工装示意图之二；
图4是本发明温度控制模块示意图；
图5是本发明装置连接示意图；
图6是本发明检测装置试验方法流程图。
具体实施方式
本发明提出一种具有校正功能的单粒子试验温度控制装置及温控方法，装置包括含加热片的一体化表贴工装、含功率热耗校正功能的温度控制模块以及多位置测量校正的探测模块，方法流程包含基于功率热分析的芯片试验温度设定，基于芯片温度探测的装置输出设置以及试验过程控制参数确定。本发明通过设计专用化的表贴加热工装，实现试验器件与加热位置的直接接触，提升效率，通过控制加热面积保证均匀性，温度控制模块具有基于试验器件功率热耗分布仿真数据施加温度校正功能，提升器件温控精度及准确性，同时，探测模块具有双路探测器，通过校正探测，确定试验过程控制参数。本发明装置组成简单，通用性强、准确性高，相应试验方法具有易于工程化特点。
如图1-图5所示，本发明提出了一种基于热分析与位置探测双校正的表贴式单粒子试验温控装置，该装置包括含加热片的一体化表贴工装，含功率热耗校正功能的温度控制模块以及多位置测量校正的探测模块。
装置组成：
表贴工装是针对双列直插、蝶形等不同封装类型器件在试验板上的安装特点设计的接触工装，表贴工装上表面中心位置设置有加热片安装槽，加热片镶嵌其中且加热片的上表面与表贴工装上表面平齐；根据器件尺寸可设计工装及相应加热片的大小，采用导热硅脂或高温双面胶固定，以加热片直接接触式加热，保证加热的效率与均匀性。
温度控制模块根据目标器件试验状态下的热分布结果为输入条件，与表贴工装中嵌合的加热片连接，以设定的目标温度值控制输出至加热片的功率，使加热片升温；
温度控制模块分别与表贴工装中加热片、温度探测器连接，通过功率热耗分析获取的器件芯片温度，根据此值校正温度控制模块的输出值。
探测模块包含双路探测器，分别与器件芯片以及器件管壳相接触，探测器引线与温度控制模块连接，将采集到的器件芯片的实时温度和器件管壳的实时温度反馈给温度控制模块。
探测模块中的两路探测器完成与温度控制模块连接后，探头分别安置于器件管壳或外围边缘以及芯片处，进行温度检测，待试验温度设定完成后，将芯片出探头取出，即可开展单粒子试验。
优选的，待测器件通过螺丝与表贴工装进行紧固安装，且待测器件与表贴工装之间设置有导热硅脂或高温双面胶，加热片对待测器件进行接触式加热。进一步保证加热片与试验器件的良好贴合，表贴工装与器件检测板利用螺丝旋钮固定于单粒子试验多孔板，以便后续安装。
优选的，表贴工装采用铝或铜，通过若干金属导热安装柱固定在工作台面上，表贴工装为竖直放置状态，进而令目标器件处于竖直状态。
温度控制模块接收探测模块采集到的器件芯片的实时温度和器件管壳的实时温度，根据器件芯片的实时温度调整输出功率，直到器件芯片的温度达到设定的目标温度值，记录此时的器件管壳温度以及器件管壳温度与器件芯片温度的对应关系。进行单粒子试验时，去掉器件管壳上表面盖板使器件芯片裸露，根据器件管壳温度与器件芯片温度的对应关系，使用管壳温度作为试验过程的控制参数。
本发明基于上温度控制装置还提出一种温控方法，流程包括：
(1)基于功率热分析的器件芯片试验温度设定；
具体为：首先明确开展单粒子试验的器件芯片的目标温度值T2，基于器件热仿真分析确定器件芯片自身由于功率产生的温度T1，则器件芯片所需施加的温度值T＝T2-T1。
(2)设置单粒子试验温度控制装置的输出；
具体为：设定温度控制装置输出值T3<T，同时利用探测模块的双路探测器监测芯片温度T5和器件管壳温度T4，逐渐调整温度控制装置输出值T3，使芯片温度T5等于目标温度值T2，并记录此时器件管壳温度T4以及器件管壳温度T4与芯片温度T5的对应关系。
(3)确定单粒子试验过程温度控制参数。
具体为：将器件管壳温度T4作为单粒子试验过程中的温度控制参数，依据器件管壳温度T4与芯片温度T5的对应关系进一步判断单粒子试验过程中器件芯片的温度。
如图6所示，本发明实施例给出利用本发明检测装置的具体试验流程如下：
(1)试验对象选择，基于试验条件分析其功耗引起的热分布，芯片温度值记为T1；
(2)试验装置连接，包含：
a、探测模块与温控模块连接
b、加热片与温控装置连接
c、试验器件与表贴工装连接
d、探测器与试验器件连接
(3)目标温度值设定T2，芯片所需施加的温度值T＝T2-T1；
(4)设定温度控制装置输出值T3<T，同时利用探测模块的双路探测器监测芯片温度T5和器件管壳温度T4，调整装置输出值T3，使芯片温度T5等于芯片设定温度值T2，并记录此时器件管壳温度T4；
(5)将器件管壳温度T4作为试验过程控制参数，便可保证芯片在单粒子试验过程中所需的目标温度。
本发明中温度控制模块具有以热分布仿真为输入条件的温度校正功能；通过对选定试验器件在规定工作条件下热分布情况仿真，获取器件芯片由功耗产生的温升，记T1；根据试验所需的目标温度值T2，可以确定芯片所需加热的升温值T＝T2-T1；依此设置温度控制装置的输出功率，功耗因素的引入使温度控制精细化，特别是对于大功率器件，如果忽略器件功耗，设定温度与实际温度偏差会存在较大差异，可实现直接设定目标温度进行加热的误差校正。
双路探测器均与温度控制连接，进行温度显示，而双路探测器分别用于试验器件芯片温度探测和器件管壳温度探测，单粒子试验要求对器件进行裸芯片辐照，试验过程中不能对芯片进行探测，避免造成遮挡，因此，试验前分别对试验器件的芯片和管壳温度进行检测，记录芯片温度达到要求时的管壳测量温度，获取器件芯片与管壳温度的温度差△T，试验过程中通过监测管壳温度T4，来保证芯片温度的稳定，从而实现单一管壳温度检测方式的误差校正。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种具有校正功能的单粒子试验温度控制装置，其特征在于包括：表贴工装、温度控制模块以及探测模块；
表贴工装用于双列直插封装、蝶形封装类型器件的安装固定，表贴工装上表面中心位置设置有加热片安装槽，加热片镶嵌其中且加热片的上表面与表贴工装上表面平齐；
温度控制模块以目标器件试验状态下的热分布结果为输入条件，与表贴工装中嵌合的加热片连接，以设定的目标温度值控制输出至加热片的功率，使加热片升温；
探测模块包含双路探测器，分别与器件芯片以及器件管壳相接触，探测器引线与温度控制模块连接，将采集到的器件芯片的实时温度和器件管壳的实时温度反馈给温度控制模块。
2.根据权利要求1所述的一种具有校正功能的单粒子试验温度控制装置，其特征在于：待测器件通过螺丝与表贴工装进行紧固安装，且待测器件与表贴工装之间设置有导热硅脂或高温双面胶，加热片对待测器件进行接触式加热。
3.根据权利要求1所述的一种具有校正功能的单粒子试验温度控制装置，其特征在于：表贴工装采用铝或铜，通过若干金属导热安装柱固定在工作台面上，表贴工装为竖直放置状态，进而令目标器件处于竖直状态。
4.根据权利要求1所述的一种具有校正功能的单粒子试验温度控制装置，其特征在于：温度控制模块接收探测模块采集到的器件芯片的实时温度和器件管壳的实时温度，根据器件芯片的实时温度调整输出功率，直到器件芯片的温度达到设定的目标温度值，记录此时的器件管壳温度以及器件管壳温度与器件芯片温度的对应关系。
5.根据权利要求4所述的一种具有校正功能的单粒子试验温度控制装置，其特征在于：进行单粒子试验时，去掉器件管壳上表面盖板使器件芯片裸露，根据器件管壳温度与器件芯片温度的对应关系，使用管壳温度作为试验过程的控制参数。
6.根据权利要求1所述的一种具有校正功能的单粒子试验温度控制装置，其特征在于：所述目标器件试验状态下的热分布结果具体是指：对目标器件进行热仿真分析确定的器件芯片自身由于功率产生的温升。
7.一种根据权利要求1所述的具有校正功能的单粒子试验温度控制装置实现的单粒子试验温度控制方法，其特征在于步骤如下：
(1)基于功率热分析的器件芯片试验温度设定；
(2)设置单粒子试验温度控制装置的输出；
(3)确定单粒子试验过程温度控制参数。
8.根据权利要求7所述的单粒子试验温度控制方法，其特征在于：所述步骤(1)基于功率热分析的器件芯片试验温度设定，具体为：
首先明确开展单粒子试验的器件芯片的目标温度值T2，基于器件热仿真分析确定器件芯片自身由于功率产生的温度T1，则器件芯片所需施加的温度值T＝T2-T1。
9.根据权利要求7所述的单粒子试验温度控制方法，其特征在于：所述步骤(2)设置单粒子试验温度控制装置的输出，具体为：
设定温度控制装置输出值T3<T，同时利用探测模块的双路探测器监测芯片温度T5和器件管壳温度T4，逐渐调整温度控制装置输出值T3，使芯片温度T5等于目标温度值T2，并记录此时器件管壳温度T4以及器件管壳温度T4与芯片温度T5的对应关系。
10.根据权利要求7所述的单粒子试验温度控制方法，其特征在于：所述步骤(3)确定单粒子试验过程温度控制参数，具体为：将器件管壳温度T4作为单粒子试验过程中的温度控制参数，依据器件管壳温度T4与芯片温度T5的对应关系进一步判断单粒子试验过程中器件芯片的温度。
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