基于拉曼法的GaN芯片高结温测试装置的制作方法

本发明涉及gan功率器件结温测试技术，特别是一种基于拉曼法的gan芯片高结温测试装置。

背景技术：

gan作为第三代半导体材料的代表广泛应用于固态微波功率器件，但其向高集成度和高功率密度方向发展受限于芯片自身热积累问题，导致其性能和寿命的严重衰减，其gan芯片高精度结温测试技术已成为器件热管理技术的重要研究热点之一。

目前，应用于gan功率器件结温的测试技术主要有红外热成像法及拉曼法。红外热成像法因为其自身经济性和使用简洁性被广泛应用于企业生产线等批量器件结温评估领域，但其空间分辨率低导致该方法无法实现对gan结温进行精确测试。拉曼法因其高空间分辨率特性，极其适合对gan芯片结温的高精度测试，但该技术却难以满足gan芯片高结温的测量，gan芯片结温过高(超过120℃)会直接导致拉曼设备激光聚焦物镜的损坏。因此，目前急需开发一种适合拉曼法的gan芯片高结温测试装置，提升高精度拉曼法结温测试技术的能力，满足gan器件高功率密度下芯片结温、热阻或寿命评估研究需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于拉曼法的gan芯片高结温测试装置，提升gan芯片结温测试技术能力，用于任意环境下的gan器件结温、热阻或寿命评估。

实现本发明目的的技术方案为：一种基于拉曼法的gan芯片高结温测试装置，包括芯片承载模块、电路探针模块、高温隔断板、温度控制模块、互连框架模块及超长聚焦物镜；所述芯片承载模块固定于互连框架模块上，并通过互连框架模块和温度控制模块连接，用于gan芯片的测试固定和gan芯片的环境温度控制；所述电路探针模块用于向芯片施加功率载荷；所述高温隔断板固定于互连框架模块上部，并和温度控制模块相连接，用于隔断芯片高温工作下的热辐射；所述温度控制模块用于控制芯片承载模块的环境温度和高温隔断板的温度；所述超长聚焦物镜设置在芯片承载模块正上方，用于对芯片结温进行测试。

进一步的，所述芯片承载模块采用热导率大于200w/mk的金属材料，厚度为2-3mm。

进一步的，所述芯片承载模块表面设有螺纹孔，用于gan芯片的测试固定。

进一步的，所述电路探针模块包含探针头、电路互连结构和控制结构；其中，探针头采用电镀金结构，用于连接gan芯片电极；电路互连结构用于和装置外部的功率电源连接，提供gan芯片工作的输入源；控制结构用于调解探针头的三维位置，并实现与互连框架的固定。

进一步的，所述高温隔断板材料采用蓝宝石晶体。

进一步的，高温隔断板采用卡槽方式固定于互连框架模块上面，并通过互连框架模块中的1路气体通路和温度控制模块相连接。

进一步的，所述芯片承载模块的承载面距离高温隔断板距离为7mm-10mm。

进一步的，所述互连框架模块为密封腔体，采用铜或钢材料加工，实现芯片承载模块、电路探针模块、高温隔断板、温度控制模块的集成及其与拉曼平台固定；内部包含1路电路线通路、2路气体孔实现温度控制模块对芯片承载模块和高温隔断板的温度控制。

进一步的，所述温度控制模块包含1路电路线和2路氮气体控制；其中1路电路和1路氮气体控制用于实现芯片承载模块温度控制；1路氮气体用于冷却高温隔断板，使高温隔断板温度处于80℃以下。

进一步的，所述超长聚焦物镜焦距在10mm以上。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：本发明引入高温隔断板和超长聚焦物镜，并通过互连框架模块的巧妙设计，将芯片承载模块、电路探针模块、高温隔断板、温度控制模块的进行集成控制，该测试装置解决了拉曼法无法直接进行gan芯片在高结温下的热测试技术瓶颈，实现环境温度在-70℃到400℃的任意控制和gan芯片结温最高达到400℃的结温测试，提升了高精度拉曼光谱法的gan器件结温测试能力和环境适用性；对器件热管理的技术开发和寿命评估研究有极大的指导意义。

附图说明

图1是基于拉曼法的gan芯片高结温测试装置示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于拉曼法的gan芯片高结温测试装置包括芯片承载模块、电路探针模块、高温隔断板、温度控制模块、互连框架模块、及超长聚焦物镜。其中，芯片承载模块用于gan芯片的固定和环境温度控制，电路探针模块用于解决芯片的功率载荷的施加并解决和拉曼光谱测试的空间兼容，高温隔断板用于隔断芯片高温工作下的热辐射起到保护拉曼物镜，温度控制模块用于控制芯片承载模块的环境温度和高温隔断板的温度，互连框架模块用于实现芯片承载模块、电路探针模块、高温隔断板、温度控制模块的集成及其与拉曼平台固定，超长聚焦物镜用于对芯片结温的测试并提供物镜与芯片之间的探针模块和高温隔断模块的兼容空间。

芯片承载模块采用铜等高导热金属材料，直接固定于互连框架模块上，并通过互连框架模块和温度控制模块连接在一起用于gan芯片的环境温度控制，表面设计小的螺纹孔用于gan芯片的测试固定；

电路探针模块包含探针头、电路互连结构和控制结构。其中，探针头材料采用钢材质，表面并电镀金结构实现耐高温特性，直接用于连接gan芯片电极；电路互连结构采用低热阻cu线，用于和装置外部的功率电源连接，提供gan芯片工作的输入源；控制结构设计为螺钮结构，垂直方法和平面方向均可自由控制，满足调解探针头的三维位置，并可以实现与互连框架的固定；

高温隔断板固定于互连框架上部，并和温度控制模块相连接，用于隔断芯片高温工作下的热辐射起到保护拉曼物镜，可实现芯片结温达到400℃高温的测试；其材料采用石英玻璃、蓝宝石等高透明材料，厚度控制在0.3-0.5mm之间，保证拉曼光谱的透过性；

互连框架模块采用铜或钢等材料，实现芯片承载模块、电路探针模块、高温隔断板、温度控制模块的集成及其与拉曼平台固定；芯片承载模块的承载面距离高温隔断板距离在7mm-10mm之间，用于gan芯片固定空间；内部包含1路电路线、2路气体孔实现温度控制模块对芯片承载模块和高温隔断板的温度控制；

温度控制模块含包含1路电路线和2路氮气体控制；其中1路电路和1路氮气体控制用于实现芯片承载模块温度控制，实现芯片环境温度在-70℃到400℃的控制；1路氮气体用于冷却高温隔断板，使隔断板处于80℃以下；

超长聚焦物镜应保证焦距在10mm以上，用于对芯片结温的测试，并提供物镜与芯片之间的探针模块和高温隔断模块的兼容空间。

下面结合附图和实施例进一步描述本发明的技术方案。

实施例

如图1中a所示是芯片承载模块，采用铜高导热金属材料，厚度设计为在2-3mm之间，通过焊接方式直接固定于互连框架模块上，表面设计内径为2mm的小螺纹孔用于gan芯片的测试固定；同时通过互连框架模块内部1路电通路e1、1路气通路e2和温度控制模块连接在一起控制gan芯片的环境温度。

如图1中b所示是电路探针模块，包含探针头、电路互连结构和控制结构。探针头材料采用钢材质，表面电镀金结构实现了耐高温特性，直接用于连接gan芯片电极；电路互连结构采用低热阻cu线，连接探针头和和装置外部的功率电源系统，提供gan芯片工作的功率；控制结构固定于互连框架模块上，设计为螺钮结构，使垂直方法和平面方向均可自由控制，满足调解探针头的三维位置，便于和gan芯片电极的互连。

如图1中c所示是高温隔断板，采用卡槽方式固定于互连框架模块上面，并通过互连框架模块中的1路气体通路e3和温度控制模块相连接，保证了温度隔断板处于低温状态，用于隔断芯片高温工作下的热辐射起到保护拉曼物镜，可实现芯片结温达到400℃高温的测试；其材料采用石英玻璃高透明材料，厚度控制在0.3mm，保证拉曼光谱的透过性。

如图1中d所示是互连框架模块，采用钢材料制备，框架璧厚为4mm，实现芯片承载模块、电路探针模块、高温隔断板、温度控制模块的集成及其与拉曼平台固定；高度上保证芯片承载模块的承载面距离高温隔断板距离在9mm，用于gan芯片的固定空间；内部包含1路电通路e1、2路气通路e2和e3实现温度控制模块对芯片承载模块和高温隔断板的温度控制。该互连框架模块底部为用于放置芯片承载模块的平台，平台两侧设有高度大于前述平台的支柱，所述支柱用于放置电路探针模块的电路互连结构；互连框架模块顶部开口，用于放置高温隔断板。

如图1中e所示温度控制模块，通过电和氮气驱动实现对1路电通路和2路气通路控制；其中1路电路e1和1路氮气体e2控制用于实现芯片承载模块温度控制，实现芯片环境温度在-70℃到400℃的控制；1路氮气体e3用于冷却高温隔断板，使隔断板处于80℃以下。

如图1中f所示是超长聚焦物镜，采用三丰100x的超长聚焦物镜直接连接与拉曼设备上，用于对gan芯片结温的测试。焦距为12mm，提供了物镜与芯片之间的探针模块和高温隔断模块的兼容空间。

以下通过具体的测试进行说明。首先，将该装置放置在拉曼台上，将ganhemt芯片固定于芯片承载模块上；通过温度控制模块设定gan芯片底部的环境温度为40℃；连接电路探针模块实现外部功率对gan芯片的输入，保证芯片的输入功率为稳态10w/mm的工作状态；调节高温隔断板和超长聚焦物镜开始对gan芯片在工作条件下进行拉曼峰值测试，依据拉曼峰值和温度关系，计算出芯片结温为289℃。