隨著紅外焦平面探測器陣列規(guī)模的不斷擴(kuò)大，由多層結(jié)構(gòu)低溫?zé)崾湫巫儗?dǎo)致的杜瓦可靠性問題愈發(fā)突出，對(duì)焦面低溫形變的定量化表征需求越來越迫切。基于超長線列紅外焦平面探測器冷箱組件開展焦面低溫形變研究，針對(duì)多層結(jié)構(gòu)粘接造成的焦面低溫形變進(jìn)行了理論仿真。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中國電子科技集團(tuán)公司第十一研究所的科研團(tuán)隊(duì)在《紅外》期刊上發(fā)表了以“超長線列紅外探測器組件的低溫面形研究”為主題的文章。該文章第一作者為張璐工程師，主要從事紅外探測器杜瓦的光機(jī)設(shè)計(jì)方面的研究。

本文基于長線列紅外焦平面探測器冷箱組件開展焦面熱應(yīng)力變形研究，分析討論了其組成結(jié)構(gòu)及材料，并借助有限元仿真手段研究了長線列紅外焦平面探測器的低溫應(yīng)力分布及形變。設(shè)計(jì)了一種探測器工作溫度下焦面熱應(yīng)力形變的測試方法。對(duì)比分析面形測試數(shù)據(jù)與仿真計(jì)算之間的誤差，驗(yàn)證仿真結(jié)果的合理性，為大面陣長線列探測器焦面多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及熱應(yīng)力仿真分析

封裝結(jié)構(gòu)形式

作為制冷型紅外探測器芯片的封裝載體，封裝結(jié)構(gòu)一方面要給探測器提供一個(gè)低溫工作環(huán)境（真空、低溫、低噪聲），同時(shí)又要滿足在紅外系統(tǒng)中應(yīng)用的各種接口（光學(xué)、電學(xué)、制冷機(jī)及機(jī)械安裝接口）要求。組件的光譜范圍為1~2.5 μm，工作溫度大于等于90 K采用真空冷箱封裝形式，以滿足空間真空環(huán)境下的長壽命要求。圖1為杜瓦結(jié)構(gòu)的示意圖。

組件冷頭是探測器封裝結(jié)構(gòu)的重要部分。它作為探測器芯片的裝載面，將制冷機(jī)的冷量傳遞給探測器芯片；另外它還用于探測器芯片與電學(xué)引出結(jié)構(gòu)的過渡。本結(jié)構(gòu)中的冷頭主要由安裝基板、拼接襯底、探測器芯片、電學(xué)過渡板和冷屏組成。

圖1 杜瓦結(jié)構(gòu)的示意圖

圖2所示為探測器芯片的排列方式，即由8片1024 × 6（×2）的探測器芯片沿線列方向、呈“幾”字形拼接而成。芯片光敏面尺寸為192.6 mm × 19.5 mm。8片碲鎘汞探測器芯片與8片讀出電路互連后，由低溫粘接劑粘接在單片Si拼接襯底上。拼接襯底通過導(dǎo)熱膠粘接在SiC安裝基板上，安裝基板由螺釘固定于TC4支撐法蘭上。冷頭結(jié)構(gòu)模型如圖3所示。低溫下不同材料的熱膨脹系數(shù)不同會(huì)引起熱失配，故需對(duì)冷頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行低應(yīng)力低變形設(shè)計(jì)分析。

圖2 芯片排列方式示意圖

圖3 冷頭結(jié)構(gòu)的示意圖

焦面熱應(yīng)力仿真分析

仿真時(shí)，采用等效建模方法將銦柱和填充環(huán)氧膠簡化為一層，并在此基礎(chǔ)上施加邊界條件。采用基于一維模型的計(jì)算方法，即在有限元計(jì)算中不考慮各層材料參數(shù)隨溫度的變化。其中，低溫90 K下的材料參數(shù)由中國科學(xué)院理化技術(shù)研究所測試和提供。探測器各組成部分的材料及厚度見表1。

表1 探測器各組成部分的材料及厚度

本文設(shè)計(jì)了合理的邊界條件和溫度參數(shù)，并對(duì)焦面應(yīng)力及變形進(jìn)行了仿真計(jì)算（結(jié)果見圖4~圖6）。從圖4中可以看出，探測器的溫度約為88 K。從圖5中可以看出，芯片1右下角、芯片2左上角、芯片7右下角、芯片8左上角所受的應(yīng)力較大，最大值約為30.63 Mpa，這是由于此位置安裝基板下方有兩個(gè)支撐法蘭結(jié)構(gòu)。從圖6中可以看出，焦面呈拱形，兩邊芯片向下凹約9.24 μm，中間位置芯片向下凹1.36 μm。

圖4 探測器的溫度均勻性云圖

圖5 90 K工作溫度下的焦面應(yīng)力仿真數(shù)據(jù)

圖6 90 K工作溫度下的焦面低溫形變仿真數(shù)據(jù)

結(jié)構(gòu)熱應(yīng)力變形測試

測試方法介紹

超長線列紅外焦平面探測器面形測試存在以下難點(diǎn)：一是需測量探測器實(shí)際工作溫度90 K下的焦面變形，并且規(guī)避體積較大的制冷型紅外探測器工作狀態(tài)下由制冷機(jī)、真空泵帶來的振動(dòng)影響，從而保證測試結(jié)果與探測器真實(shí)工作狀態(tài)的匹配性更好，數(shù)據(jù)說服力較強(qiáng)；二是探測器焦面規(guī)模大，由多片芯片耦合在拼接基板上制備而成，相當(dāng)于對(duì)多芯片進(jìn)行共焦面測試；；三是測試精度要求高，芯片拼接精度X、Y方向優(yōu)于8 μm、Z向優(yōu)于18 μm，所以測試精度需達(dá)微米級(jí)。

通過對(duì)結(jié)構(gòu)測試要求進(jìn)行分析，我們研制了精密芯片拼接檢測系統(tǒng)。此系統(tǒng)X、Y向定位精度為0.5 μm，重復(fù)定位精度為0.7 μm；Z向定位精度為1.2 μm，重復(fù)定位精度為0.5 μm。項(xiàng)目要求的拼接焦面平面度小于20 μm，識(shí)別精度為微米級(jí)，故該系統(tǒng)能滿足低溫面形測試要求。此系統(tǒng)的測量工作臺(tái)由CCD相機(jī)、變倍顯微系統(tǒng)、基準(zhǔn)大理石底座、X向運(yùn)動(dòng)及控制系統(tǒng)、Y向運(yùn)動(dòng)及控制系統(tǒng)和Z向運(yùn)動(dòng)及控制系統(tǒng)組成。CCD相機(jī)、變倍顯微系統(tǒng)組成的探頭部分可通過龍門控制系統(tǒng)在X、Y、Z向位移。CCD相機(jī)通過依次識(shí)別8個(gè)芯片上左右兩側(cè)的定位標(biāo)識(shí)可獲得芯片的Z向高度。

根據(jù)精密芯片拼接檢測系統(tǒng)的景深要求，為保證CCD相機(jī)識(shí)別到芯片閃電標(biāo)定位標(biāo)識(shí)，需設(shè)計(jì)專用窗座，保證窗口到焦面的距離小于30 mm。設(shè)計(jì)專用K9玻璃窗片，保證探測器焦面的真空度和可見光探測環(huán)境。實(shí)驗(yàn)采用控制變量法。

測試過程

首先搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)：將探測器組件固定，使焦面正對(duì)CCD相機(jī)；控制探頭部分Z向高度，使焦面位于相機(jī)焦深范圍內(nèi)。把探測器抽真空泵組、制冷機(jī)電源以及溫度監(jiān)測萬用表置于系統(tǒng)平臺(tái)外的桌子上，防止其抖動(dòng)對(duì)測試產(chǎn)生影響。裝置搭建情況如圖7所示，芯片左右兩側(cè)定位標(biāo)識(shí)別如圖8所示。

圖7 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建示意圖

圖8 芯片定位標(biāo)識(shí)別

實(shí)驗(yàn)中采用控制變量法分別對(duì)常溫、低溫工作溫度、回溫至常溫時(shí)的焦面平面度進(jìn)行測量。為保證測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，每組實(shí)驗(yàn)均重復(fù)三次，測試結(jié)果取平均值。

常溫面形測試

打開排氣管喇叭口旋鈕，啟動(dòng)抽真空泵。組件排氣后，真空度降至10?3 Pa量級(jí)時(shí)關(guān)閉泵和喇叭口旋鈕?？刂艭CD相機(jī)移動(dòng)，使其依次識(shí)別清楚芯片定位標(biāo)識(shí)，依次記錄芯片定位標(biāo)識(shí)的Z向高度。

低溫面形測試

在做完常溫面形測試后，分次調(diào)高電源電壓值，直至電源功率達(dá)到組件制冷要求。通過讀取焦面二極管電壓值確定焦面工作溫度。為防止真空泵抽氣造成的振動(dòng)影響焦面測試，把排氣管喇叭口旋鈕擰上，將泵關(guān)閉；制冷機(jī)持續(xù)打開，制冷機(jī)造成的振動(dòng)對(duì)焦面測試的影響很小，可忽略不計(jì)。控制CCD相機(jī)移動(dòng)，使其依次識(shí)別清楚芯片定位標(biāo)識(shí)，依次記錄定位標(biāo)識(shí)的Z向高度。

回溫測試

在完成低溫面形測試后，將制冷機(jī)停止。為防止芯片結(jié)霜，真空泵仍處于關(guān)閉狀態(tài)。待焦面溫度恢復(fù)到與常溫面形測試溫度一致時(shí)，控制CCD相機(jī)移動(dòng)，使其依次識(shí)別清楚芯片定位標(biāo)識(shí)，依次記錄定位標(biāo)識(shí)的Z向高度。

測試結(jié)果處理

采用以上測試方案對(duì)紅外焦平面探測器進(jìn)行了低溫面形測試實(shí)驗(yàn)（結(jié)果見表2和表3）。組件放置在CCD下方時(shí)有一定的傾斜，所以常溫296 K下芯片定位識(shí)別點(diǎn)的Z向位置差別大。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)，僅考慮低溫下Z向位置偏移量即可分析芯片低溫面形的變化，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合處理（結(jié)果見圖9）。從圖中可以看出，低溫下芯片呈拱形，與仿真結(jié)果基本一致；整個(gè)焦面都向下彎曲，兩側(cè)彎曲程度大，中間彎曲程度小；；左側(cè)芯片1、3、2、4的彎曲程度大于芯片5、7、6、8。

表2 面形測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表1

表3 面形測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表2

圖9 低溫下的面形變化趨勢

焦面低溫形變與膠層厚度、膠層均勻性、拼接襯底、安裝基板材料及平面度等多種因素有關(guān)。綜合測試數(shù)據(jù)和仿真數(shù)據(jù)，在后續(xù)設(shè)計(jì)時(shí)可預(yù)留邊緣位置芯片的形變公差，增大探測器低溫工作時(shí)的焦面平面度，從而提高探測器的光學(xué)響應(yīng)度。

仿真與測試結(jié)果分析

通過對(duì)比仿真結(jié)果與測試結(jié)果可以看出，低溫下焦面變形曲線均為上凸形，這與多層材料的熱膨脹系數(shù)不同有關(guān)。在后續(xù)設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化材料的匹配性。另外，仿真數(shù)據(jù)變形量與實(shí)測數(shù)據(jù)變形量存在差值，表明仿真數(shù)據(jù)的邊界條件、網(wǎng)格劃分、膠層設(shè)置還存在優(yōu)化空間。該研究可用于指導(dǎo)后續(xù)的設(shè)計(jì)工作，以增大探測器低溫工作時(shí)的焦面平面度，從而有利于提高探測器的光學(xué)響應(yīng)度。

結(jié)論

為滿足航天等領(lǐng)域的特殊需求，紅外焦平面探測器的陣列規(guī)模日益擴(kuò)大，多層結(jié)構(gòu)的低溫?zé)崾湫巫儗?dǎo)致的杜瓦可靠性問題愈發(fā)突出。本文對(duì)超長線列紅外探測器開展了焦面低溫形變研究，針對(duì)多層結(jié)構(gòu)粘接造成的低溫形變進(jìn)行了理論仿真;設(shè)計(jì)了探測器工作溫度下焦面低溫形變的測試方法（測試精度達(dá)1 μm）。該方法可規(guī)避體積較大的制冷型紅外探測器工作狀態(tài)下由制冷機(jī)、真空泵帶來的振動(dòng)影響，數(shù)據(jù)說服力較強(qiáng)。

對(duì)于本文研究的紅外探測器組件來說，低溫下焦面呈拱形，對(duì)比分析面形測試結(jié)果與仿真計(jì)算之間的誤差，驗(yàn)證仿真結(jié)果的合理性。在以后的探測器設(shè)計(jì)中，通過對(duì)模型的精準(zhǔn)仿真可以有效評(píng)估焦面的變形。未來可選擇線膨脹系數(shù)更匹配的材料，提升探測器低溫工作時(shí)的焦面平面度，從而提高探測器的光學(xué)響應(yīng)度。

審核編輯：劉清