CN113030686A - 用于半导体制冷器的测试设备和测试方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于半导体制冷器的测试设备和测试方法。用于半导体制冷器的测试设备，包括：导热载体（10），其包括第一表面（12）和与第一表面（12）相反的第二表面（14），其中第一表面（12）适于与半导体制冷器的操作表面接触；热负载（20），其设置在第二表面（14）并且被配置成从功率源接收电力而发热，热负载（20）包括具有预定面积的电阻膜；功率源，其配置成能够操作热负载（20），以使得热负载（20）模拟半导体制冷器所制冷的器件；以及热敏电阻（30），其与热负载（20）相邻地设置在第二表面（14）上。根据本公开实施例的测试设备，能够针对半导体制冷器提供有效测试。

Description

用于半导体制冷器的测试设备和测试方法

技术领域

本公开的实施例总体上涉用于光通信的半导体制冷器，特别涉及半导体制冷器的选型和测试。

背景技术

光通信系统的一些光通信器件包括半导体激光器（例如激光二极管芯片）用作光源。半导体激光器的波长通常会随环境温度变化而变化，在温度变化的情况下会导致光通信模块的性能受到影响，期望使半导体激光器的温度恒定以发射预定波长。为此，光通信系统通常设置半导体制冷器（Thermoelectric cooler)，用于对半导体激光器进行温度调节。半导体制冷器又称热电制冷器，利用半导体的热-电效应制取冷量的器件。半导体制冷器的尺寸很小，通常仅有几个平方毫米的大小，并且制冷量在几瓦的范围内。

在光通信器件封装领域，对光通信器件的功耗有严格要求。尽管传统的半导体制冷器通常均标注有标定功耗；但是该标定功耗通常为理论功耗值，与实际工作环境偏差很大。这将导致根据理论功耗所选定的半导体制冷器难以满足光通信器件封装后的功耗要求。期望能够针对半导体制冷器的性能进行测试，以便于半导体制冷器的选型和评定。

发明内容

本公开的实施例提供了一种用于半导体制冷器的测试设备和用测试方法，旨在解决上述问题以及其他潜在问题中的一个或多个。

根据本公开的第一方面，提供了一种用于半导体制冷器的测试设备。半导体制冷器的测试设备包括：导热载体，其包括第一表面和与第一表面相反的第二表面，其中所述第一表面适于与所述半导体制冷器的操作表面接触；热负载，其设置在所述第二表面并且被配置成从功率源接收电力而发热，所述热负载包括具有预定面积的电阻膜；功率源，其配置成能够操作所述热负载，以使得所述热负载模拟所述半导体制冷器所制冷的器件；以及热敏电阻，其与所述热负载相邻地设置在所述第二表面上。

根据本公开实施例的测试设备能够针对半导体制冷器提供有效测试；进而为半导体制冷器的选型和评估提供参照，以确保包括半导体制冷器的光通信器件满足性能要求。

在根据本公开的实施例中，所述电阻膜经由镀膜连续地形成在所述第二表面的预定区域。在根据本公开的实施例中，所述预定区域形成为方形形状。

在根据本公开的实施例中，所述电阻膜包括多个层的堆叠，所述多个层包括顺次堆叠的TaN层和Au层。

在根据本公开的实施例中，其中所述电阻膜包括顺次层叠在所述TaN层和Au层之间的TiW层和Ni层。

在根据本公开的实施例中，所述导热载体的厚度可在0.18mm-0.30mm的范围内。在根据本公开的实施例中，所述导热载体为0.254mm。

在根据本公开的实施例中，所述热负载的热功率P通过所述电阻膜的面积确定并且通过以下公式确定：P=a·b·S，其中a为材料常数并且由电阻膜的材料确定，b为功率常数并且由电阻膜的发热功率决定，S为电阻膜的面积。

在根据本公开的实施例中，所述第二表面还可包括连接至所述电阻膜和所述热敏电阻的印刷键合线。

在根据本公开的实施例中，测试设备还可包括功率源，其配置成能够操作所述热负载，以使得所述热负载能够产生与所述半导体制冷器旨在应用的热源的发热功率对应的功率。

在根据本公开的实施例中，测试设备还可包括环境温度调节箱，其中在测试设备执行测试期间中，所述导热载体、所述热负载和所述热敏电阻被容纳在所述环境温度调节箱中。

根据本公开的第二方面，提供了一种用于半导体制冷器的测试方法，所述测试方法至少部分地利用根据上述方面中任一项所述的测试设备来执行，所述测试方法包括：将所述导热载体布置在所述半导体制冷器上；向所述热负载提供电功率，以使得所述热负载产生与所述半导体制冷器所制冷的热源的发热功率对应的功率；以及操作所述半导体制冷器，以使得所述热负载工作在预定的温度范围，其中所述热负载的温度范围经由热敏电阻来指示。

在根据本公开的实施例中，测试方法还可包括：将所述导热载体、所述热负载和所述热敏电阻放置在环境温度调节箱中；向所述热负载提供电功率和操作所述半导体制冷器，以便获取所述半导体制冷器的制冷功率相关参数。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本公开的实施例的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例而非限制性的方式示出了本公开的若干实施例。

图1示出了根据本公开的第一实施例的用于半导体制冷器的测试设备的俯视示意图。

图2示出了根据本公开的第一实施例的用于半导体制冷器的测试设备的侧视示意图。

图3示出了根据本公开的第二实施例用于半导体制冷器的测试设备的俯视示意图。

图4示出了根据本公开的实施例用于半导体制冷器的测试设备的应用环境的示意图。

图5示出了根据本公开的实施例的用于半导体制冷器的测试方法的流程图。

在各个附图中，相同或对应的标号表示相同或对应的部分。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施例。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

在本文中使用的术语“包括”及其变形表示开放性包括，即“包括但不限于”。除非特别申明，术语“或”表示“和/或”。术语“基于”表示“至少部分地基于”。术语“一个示例实施例”和“一个实施例”表示“至少一个示例实施例”。术语“另一实施例”表示“至少一个另外的实施例”。术语“上”、“下”、“前”、“后”等指示放置或者位置关系的词汇均基于附图所示的方位或者位置关系，仅为了便于描述本公开的原理，而不是指示或者暗示所指的元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造或操作，因此不能理解为对本公开的限制。

如背景技术所述，半导体制冷器通常均标注有标定功耗；但是由于半导体激光器彼此之间的功率差异以及包括半导体激光器的光通信器件的操作环境差异很大。当根据该理论功耗选择半导体制冷器并且将半导体制冷器组装到光通信器件后，所封装的光通信器件可能难以满足功率要求。对此，本公开提供了一种能够针对半导体制冷器的性能进行测试的测试系统，由此能够对半导体制冷器的性能进行评定，以便于半导体制冷器的选型和评定。

下面结合附图详细说明根据本公开实施例的用于半导体制冷器的测试设备和用测试方法。

图1和图2示出用于半导体制冷器的测试设备100的结构示意图。如图1和图2所示，测试设备100包括导热载体10、热负载20和热敏电阻30。导热载体10包括第一表面12和与第一表面12相反的第二表面14。第一表面12适于与半导体制冷器（未示出）的操作表面接触。热负载20设置在第二表面14上并且被配置成从功率源40（参见图4）接收电力而发热。热敏电阻30与热负载20相邻地设置在第二表面14上。由此，热敏电阻30与热负载20相邻地设置并且导热载体10具备良好的导热性。这使得热敏电阻的阻值能够反映热负载20的温度特性。测试设备100还可包括功率源，功率源配置成能够操作所述热负载20，以使得所述热负载20模拟所述半导体制冷器所制冷的器件。

利用根据本公开实施例的测试设备100，在针对导体制冷器的测试期间，热敏电阻30能够表示热负载20的温度参数。由此可基于热敏电阻30所测量的温度参数来控制控制半导体制冷器的操作，以使热负载20保持在预定的温度范围内。由此，基于热敏电阻30所表示的温度参数可以确定半导体制冷器工作期间对导热载体10的热影响。在测试期间，通过记录半导体制冷器的操作性能参数（例如功率相关参数），可以评价半导体制冷器的性能状况。进而，基于该评价，针对半导体制冷器进行选型和性能评定。

在一些实施例中，导热载体10可由导热性良好的陶瓷制成。陶瓷可以满足光通信器件的介电性要求，同时也可以满足导热性能要求。例如，在测试设备100操作时，半导体制冷器操作时能够将热量迅速地传递至导热载体10。在一些实施例中，导热载体10的材质可与用于支撑半导体激光器的材质类似。在一些实施例中，导热载体10由ALN制成。由此可进一步精确地模拟半导体激光器的热特性。值得说明的是，尽管本公开实施例的测试设备以半导体激光器作为应用热源示例进行说明，这仅仅是示例性的；根据本公开的测试实施例的测试设备也可以用于其他需要温度调节的热源的测试。

在一些实施例中，导热载体10的尺寸可以基于待测试的半导体制冷器的尺寸确定。在一些实施例中，导热载体10的尺寸可设置为半导体制冷器的尺寸的1/2~2/3。应当理解的是，该尺寸范围仅仅是示例性的。

在一些实施例中，导热载体10的厚度在0.18mm-0.30mm的范围内，特别地为0.254mm。由此可以满足散热性的要求。在一些实施例中，导热载体10的厚度可与光通信器件中用于支撑热源的设备的厚度一致，由此可模拟热源的真实散热情形。值得说明的是，这些尺寸仅仅是示例性的，本领域的技术人员可以选择其他适当的尺寸以模拟热源的应用场景。

对于用于电通信器件的半导体制冷器而言，其工作功率非常小，仅有几瓦特（例如1-5瓦），热负载20也非常小，通常在几个欧姆的量级；因此，如何来选择和形成热电阻20能够确保良好的热传递具有很大的技术难度。例如，热电阻20应该用什么样的材质以实现所涉及的电阻大小，如何将热电阻20形成在导热载体10的表面以确保热传递性。此外，还需要确保热电阻成形的可实施性。

下面结合图3详细说明根据本公开实施例半导体制冷器的测试设备的俯视示意图。在图3所示的测试设备300中，热负载20可包括电阻膜。在一些实施例中，热负载20可具有预定面积。热负载20的功率P可通过电阻膜的面积确定。

在一些实施例中，热负载20的功率P通过以下公式确定：

P=a·b·S，

其中a为材料常数并且由电阻膜的材料确定，b为功率常数并且由电阻膜的发热功率决定，S为电阻膜的面积。由此，可以通过面积方便地控制测试设备100的热负载20的电阻值或热功率。

在一些实施例中，热负载20可形成为预定的形状。在图示的实施例中，热负载可形成为方形形状，诸如为矩形。在这种情况下，可方便设计和形成热负载20。在一些实施例中，热负载20可形成为连续的形状。在这种情况下，可便于热负载的形成和配线布置，此外可以方便地通过控制热负载20的尺寸而控制热负载的阻值和/或热功率。

在一些实施例中，电阻膜经由镀膜而形成在第二表面14的预定区域。作为实例，镀膜方法包括且不限于蒸汽沉积、溅射技术等。值得说明的是，这些方法仅仅是示例性的，可以采用其他任何适当的方法。例如，可通过设置掩模来提供镀膜区域。然而，利用蒸汽沉积、溅射技术将金属沉积在镀膜区域。

在一些实施例中，电阻膜可包括多个层的堆叠。发明人经过大量实验发现，通过提供不同材料的层的堆叠的形式，不仅可以实现电阻膜的电阻要求，还可以满足电阻膜的工艺要求。在一些实施例中，多个层包括顺次堆叠的TaN层和布置在TaN层上的Au层，TaN层可形成阻值层以提供所需的电阻，而Au层可以提供良好的电连接性能。在一些实施例中，电阻膜包括层叠在TaN层上的TiW层。在一些还在TiW层上沉积Ni层并且在Ni层上沉积Au层。通过提供TiW层和/或Ni层，可以进一步提高电阻膜的工艺性能和稳定性。

在一些实施例中，热负载20可放置在导热载体10的大致中间位置。在这种情况下，可以提高导热载体10和热负载20之间的热传递均匀性，降低测试环境对于热负载的影响。

热敏电阻30为热敏感性元件。热敏电阻30可响应于温度的变化而呈现不同的电阻值。因此，热敏电阻30可以用作为测温器件，用于表示热负载20的温度。在一些实施例中，热敏电阻30尽可能得邻近热负载20布置在导热载体10的第二表面14上。在一些实施例中，热敏电阻30可通过焊接布置在导热载体10的第二表面14上。在一些实施例中，热敏电阻30距离热负载20不超过1mm。该距离可以满足工艺和制造的要求并且能够确保热敏电阻的测量精度。值得说明的是，该数值仅仅是示例性的，可以采用其他任何适当的尺寸。

在一些实施例中，导热载体10的第二表面14还包括与热敏电阻30连接的键合线。在其他实施例中，导热载体10的第二表面14可包括连接至电阻膜的键合线。经由键合线可实现热敏电阻30和热负载20与相应设备的电连接。印刷键合线可以预定图案相对于热敏电阻20布置。

在图示的实施例中，键合线为印刷键合线。印刷键合线可以预定图案相对于热敏电阻20布置。印刷键合线可为Au。如图所示，印刷键合线22、24分别与热负载20的连接。印刷键合线可具备预定的宽度并且大致平行地延伸，这样的布置可便于键合线的印刷并且在降低键合线对热负载的干扰的情况下方便测试设备的器件的电连接。

在一些实施例中，热负载20可以布置在大致平行布置的印刷键合线22、24之间。这不仅便于热负载20的加工并且便于控制热负载的尺寸。热负载20可通过印刷键合线22、24连接至功率源。功率源可向热负载20提供电功率以使得热负载20发热，以进而模拟热源的工作状况。在图示的实施例中，热敏电阻30还可包括将热敏电阻30与印刷键合线34连接的键合线36。热敏电阻30可分别经由印刷键合线32、34连接至检测装置。采用这样的键合线布置，可以最大程度降低因为连接线的电阻而对热负载20造成影响。

由此，在测试设备300执行测试期间，通过热敏电阻30可确定热负载20的温度。应当理解的是，上述热敏电阻30和热负载20的连接仅仅是示例性，也可以采用印刷键合线22、24、32、34和键合线36之外的其他方式实现电连接。

在一些实施例中，

图4示出了根据本公开的实施例用于半导体制冷器的测试设备的应用环境400的示意图。如图4所示，在应用环境400中，测试设备410可被放置在半导体制冷器420上。测试设备410的热负载20可被连接至第一功率源40以模拟光通信器件中的热源。由此，热负载20能够产生与半导体制冷器旨在应用的热源的发热功率对应的功率。

半导体制冷器420可被连接至第二功率源50，并且第二功率源50可向半导体制冷器420供电以控制半导体制冷器420执行加热或制冷操作。导热载体10与半导体制冷器420紧密接触，以进行良好的热传递（如图中的双箭头所示意性示出），进而经由导热载体10对设置在导热载体10表面的热负载20进行温度调节，以确保热负载20工作在目标温度和/或温度范围。热敏电阻30可被连接至控制器60以为控制器60的控制提供反馈。控制器60可基于热敏电阻30所感测的温度控制第二功率源50的操作，以使得半导体制冷器420将热负载20保持在目标温度和/或温度范围。

尽管在图示的实施例中，第一功率源40不是测试设备410的一部分，在其他实施例中，第一功率源40可形成为测试设备410的一部分。在一些实施例中，功率源可以是直流或交流电源，或者与市电连接的适配器。

在一些实施例中，测试设备100还可包括环境温度调节箱（图中未示出）。考虑到光通信器件的工作环境，光通信器件可能处于不同的温度环境下。通过设置环境温度调节箱可以进一步提高测试设备100的测试性能。环境温度调节箱可以为温度可调节的恒温箱，以模拟光通信器件的真实的工作环境。在测试设备100执行测试作业时，可以将导热载体10、热负载20和测温器件容纳在环境温度调节箱中进行测试。由此，测试设备在针对半导体制冷器的测试中进一步考虑到了半导体制冷器的工作环境，进而能够为半导体制冷器提供更全面的性能测试。

下面结合图5进一步说明根据本公开实施例的用于半导体制冷器的测试方法500。

在本公开实施例的测试方法500中，在510处，将导热载体10布置在半导体制冷器的操作表面上。在一些实施例中，可以将导热载体10直接放置在半导体制冷器的操作表面上。在520处，向热负载20提供电功率。响应于热供电率的提供，热负载20发热，以模拟半导体制冷器旨在应用的热源的发热功率对应的功率。在530处，可基于热负载20的工作条件设置，半导体制冷器的目标温度范围。半导体制冷器的控制器可基于控制半导体制冷器的操作而将热负载20的温度控制在目标温度范围内。在本公开的实施例中，通过邻近热负载20设置的热敏电阻30可测量热负载的温度。半导体制冷器的控制器可基于所测量的温度来控制提供给半导体制冷器的功率大小，以使得热敏电阻30的温度在预设的目标温度范围。

在一些实施例中，测试方法500还可包括：在540处，检测半导体制冷器的操作性能。例如，可记录半导体制冷器的功率参数。功率参数可用于反应半导体制冷器的功耗特性。在一些实施例中，功率参数可包括半导体制冷器的电压和电流等参数。用户可基于半导体制冷器的这些功率参数来选择适当的半导体制冷器。

在一些实施例中，导热载体10、热负载20和热敏电阻30被放置在环境温度调节箱中，并且在环境温度调节箱中之后测试步骤。例如，在导热载体10、热负载20和测温器件被放置在环境温度调节箱之后，执行上述步骤520和530。在一些实施例中，还可包括在一定的温度范围内改变环境温度调节箱内的温度，并且在改变后的温度调节下执行上述测试方法500。在一些实施例中，可在从-40摄氏度到85摄氏度改变环境温度，记录热电制冷器的功率参数，由此能够在更大的温度范围内针对半导体制冷器提供性能测试。值得说明的是，上述温度范围仅仅是示例性的。

此外，虽然采用特定次序描绘了各操作，但是这应当理解为要求这样操作以所示出的特定次序或以顺序次序执行，或者要求所有图示的操作应被执行以取得期望的结果。在一定环境下，多任务和并行处理可能是有利的。同样地，虽然在上面论述中包含了若干具体实现细节，但是这些不应当被解释为对本公开的范围的限制。在单独的实施例的上下文中描述的某些特征还可以组合地实现在单个实现中。相反地，在单个实现的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何合适的子组合的方式实现在多个实现中。

尽管已经采用特定于结构特征和/或方法逻辑动作的语言描述了本主题，但是应当理解所附权利要求书中所限定的主题未必局限于上面描述的特定特征或动作。相反，上面所描述的特定特征和动作仅仅是实现权利要求书的示例形式。

以上已经描述了本公开的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。

Claims (11)

1.一种用于半导体制冷器的测试设备，包括：

导热载体（10），其包括第一表面（12）和与第一表面（12）相反的第二表面（14），其中所述第一表面（12）适于与所述半导体制冷器的操作表面接触；

热负载（20），其设置在所述第二表面（14）并且被配置成从功率源接收电力而发热，所述热负载（20）包括具有预定面积的电阻膜；

功率源，其配置成能够操作所述热负载（20），以使得所述热负载（20）模拟所述半导体制冷器所制冷的器件；以及

热敏电阻（30），其与所述热负载（20）相邻地设置在所述第二表面（14）上。

2.根据权利要求1所述的测试设备，其中所述电阻膜经由镀膜连续地形成在所述第二表面（14）的预定区域。

3.根据权利要求1所述的测试设备，其中所述电阻膜包括多个层的堆叠，所述多个层包括顺次堆叠的TaN层和Au层。

4.根据权利要求3所述的测试设备，其中所述电阻膜包括顺次层叠在所述TaN层和Au层之间的TiW层和Ni层。

5.根据权利要求1所述的测试设备，其中所述导热载体（10）由ALN制成。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的测试设备，其中所述热负载（20）的热功率P通过所述电阻膜的面积确定并且通过以下公式确定：

P=a·b·S，

其中a为材料常数并且由电阻膜的材料确定，b为功率常数并且由电阻膜的发热功率决定，S为电阻膜的面积。

7.根据权利要求1-5中任一项所述的测试设备，其中所述第二表面（14）还包括分别连接至所述电阻膜和所述热敏电阻（30）的印刷键合线。

8.根据权利要求1-5中任一项所述的测试设备，还包括温度可调节的环境温度调节箱，其中在测试设备执行测试期间中，所述导热载体（10）、所述热负载（20）和所述热敏电阻（30）被容纳在所述环境温度调节箱中。

9.根据权利要求1-5中任一项所述的测试设备，其中所述导热载体（10）由ALN制成，并且所述导热载体（10）的厚度为0.254mm。

10.一种用于半导体制冷器的测试方法，所述测试方法至少部分地利用根据权利要求1-9中任一项所述的测试设备来执行，所述测试方法包括：

将所述导热载体（10）布置在所述半导体制冷器上；

向所述热负载（20）提供电功率，以使得所述热负载（20）产生与所述半导体制冷器所制冷的热源的发热功率对应的功率；以及

操作所述半导体制冷器，以使得所述热负载（20）工作在预定的温度范围，其中所述热负载（20）的温度范围经由热敏电阻来指示。

11.根据权利要求10所述的测试设备的测试方法，还包括：

将所述导热载体（10）、所述热负载（20）和所述热敏电阻放置在环境温度调节箱中；

向所述热负载（20）提供电功率和操作所述半导体制冷器，以便获取所述半导体制冷器的制冷功率相关参数。

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