朱美光，錢秋瑛，王 佳

（1.上海航天技術(shù)基礎(chǔ)研究所，上海 201109；2.上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）

0 引言

紅外熱像儀在醫(yī)學(xué)、軍事、航天等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。作為二代紅外焦平面探測(cè)器件的代表，碲鎘汞長(zhǎng)線列紅外焦平面探測(cè)器組件主要用于衛(wèi)星對(duì)地觀測(cè)紅外系統(tǒng)，是高軌、中低軌衛(wèi)星、載人航天等系統(tǒng)中紅外遙感系統(tǒng)的核心器件。整個(gè)組件集光、機(jī)、電等尖端技術(shù)于一體。碲鎘汞長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器組件的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，涉及技術(shù)面廣，價(jià)貴量少，其可靠性研究的技術(shù)難度較大。目前，國(guó)外針對(duì)HgCdTe紅外探測(cè)器組件的可靠性研究主要集中于失效模式的充分暴露和分析，環(huán)境適應(yīng)性的試驗(yàn)和研究、可靠性評(píng)價(jià)方法研究，以及可靠性水平的廣泛調(diào)查，如Honeywell公司的碲鎘汞紅外探測(cè)器組件可靠性技術(shù)和失效物理試驗(yàn)計(jì)劃，Sofradir公司針對(duì)紅外探測(cè)器組件的開(kāi)展MTTF評(píng)估；國(guó)內(nèi)碲鎘汞紅外探測(cè)器組件研制起步較晚，對(duì)可靠性保證技術(shù)的研究不多。本文對(duì)紅外探測(cè)器組件可靠性保證技術(shù)進(jìn)行了分析。

1 影響紅外探測(cè)器組件固有可靠性因素

碲鎘汞長(zhǎng)線列紅外焦平面探測(cè)器組件結(jié)構(gòu)如圖1所示。碲鎘汞超長(zhǎng)線列紅外焦平面探測(cè)器組件典型結(jié)構(gòu)主要由杜瓦、焦平面芯片（光敏芯片、讀出電路）、制冷機(jī)（制冷壓縮機(jī)、制冷膨脹機(jī)）等組成。其工作原理是無(wú)限遠(yuǎn)處發(fā)射的紅外線光信號(hào)通過(guò)光敏芯片轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，由讀出電路進(jìn)行積分放大，采樣保持，由輸出緩沖和多路傳輸系統(tǒng)送至成像系統(tǒng)，斯特林制冷機(jī)降低背景溫度，以形成高質(zhì)量圖像。

組件中各部分的功能性能不同，可靠性貫穿了整個(gè)研制過(guò)程。

圖1 超長(zhǎng)線列紅外焦平面探測(cè)器組件結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of HgCdTe ultra－long infrared detector arrays infrared focal plane assembly

長(zhǎng)線列碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器組件的裝載面負(fù)載較重，為達(dá)到所需的力學(xué)強(qiáng)度，一般采用增加支撐柱截面積的方法，但截面積的變大會(huì)導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)漏熱增加，另外當(dāng)受X、Y方向力作用時(shí)，裝載面的擾度和傾斜角相對(duì)較大，難以保證探測(cè)器始終位于光學(xué)系統(tǒng)焦面的允許誤差范圍內(nèi)。因此，探測(cè)器組件裝載面支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)直接決定了組件的可靠性。

長(zhǎng)線列碲鎘汞紅外焦平面探測(cè)器組件一般由多個(gè)子模塊利用高精度無(wú)盲元直線對(duì)準(zhǔn)子模塊鑲嵌技術(shù)組裝而成。若探測(cè)器組件外引功能線的布線設(shè)計(jì)不合理，會(huì)增加微型杜瓦的熱負(fù)載，同時(shí)也加大裝載面電極制備工藝的難度，降低組件可靠性。

焦平面芯片作為整個(gè)組件的核心功能部分，設(shè)計(jì)和加工過(guò)程中涉及多個(gè)技術(shù)難題。且工藝尚不成熟。如HgCdTe材料和器件的工藝難以控制，用于器件設(shè)計(jì)的參數(shù)離散大，產(chǎn)品性能離散度大；碲鎘汞（HgCdTe）材料和器件研究相對(duì)落后，外購(gòu)材料和外協(xié)技術(shù)控制和驗(yàn)收手段非常有限；鈍化層失效、銦柱互連失效，以及芯片的均勻性導(dǎo)致焦平面芯片的成品率非常低。所有這些造成紅外探測(cè)器的技術(shù)狀態(tài)和可靠性存在較大的不確定性，不便于型號(hào)選用。

斯特林制冷機(jī)因制冷量大、制冷時(shí)間短、制冷溫度可控范圍大、安裝靈活，以及地面試驗(yàn)方便等，成為星載機(jī)械制冷機(jī)中的優(yōu)秀代表，在空間應(yīng)用中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。但其缺點(diǎn)是振動(dòng)干擾較大、存在電磁干擾、功耗較大、工作壽命有限，以及制冷機(jī)工作效率會(huì)隨使用時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸降低。國(guó)外大量的試驗(yàn)和研究資料表明，星載斯特林制冷機(jī)的失效原因主要有泄露、磨損、彈性疲勞、污染，以及沖擊對(duì)結(jié)構(gòu)造成的損傷等。斯特林制冷機(jī)的可靠性很大程度取決于設(shè)計(jì)、加工以及裝配等生產(chǎn)過(guò)程。

綜合上述分析可發(fā)現(xiàn)，碲鎘汞長(zhǎng)線列紅外焦平面探測(cè)器組件集光、機(jī)、電等尖端技術(shù)于一體，影響其固有可靠性的因素包括組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和工藝控制等，貫穿于組件的整個(gè)研制過(guò)程。

2 空間環(huán)境對(duì)紅外探測(cè)器組件可靠性影響

與其他應(yīng)用背景相比，應(yīng)用于衛(wèi)星系統(tǒng)的探測(cè)器組件將經(jīng)歷地面、空中、空間的各種自然環(huán)境。組件將面臨來(lái)自空間環(huán)境中的真空應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力、溫度應(yīng)力和電磁輻射等影響。

杜瓦由于其特殊結(jié)構(gòu)和功能特性，電、磁、振動(dòng)對(duì)杜瓦與制冷機(jī)、光學(xué)系統(tǒng)等的耦合產(chǎn)生較大的影響，從而對(duì)探測(cè)器造成干擾。

與此同時(shí)，空間環(huán)境對(duì)焦平面芯片的性能和可靠性也產(chǎn)生極大的影響。大量國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)空間輻射不僅對(duì)焦平面芯片中的光電材料產(chǎn)生電離損傷，而且還將對(duì)焦平面芯片中讀出電路產(chǎn)生總劑量效應(yīng)，即焦平面芯片的結(jié)構(gòu)和性能面臨空間應(yīng)用環(huán)境中輻射帶來(lái)的考驗(yàn)。組件在太空中運(yùn)行，衛(wèi)星均處于低氣壓乃至真空狀態(tài)，杜瓦組件密封性影響了杜瓦組件的應(yīng)用可靠性和衛(wèi)星的使用壽命?？臻g環(huán)境的溫差劇變，若不同材料（如芯片和粘接芯片的粘接材料，子模塊結(jié)構(gòu)中采用的不同材料）間的溫度膨脹系數(shù)相差較大，可能導(dǎo)致材料結(jié)合處或某種材料的碎裂，造成組件的失效。

此外，目前限制我國(guó)斯特林制冷機(jī)工程應(yīng)用的主要原因是制冷機(jī)的工作壽命和可靠性，以及冷頭的振動(dòng)和電磁干擾等。空間環(huán)境中的力學(xué)環(huán)境、熱學(xué)環(huán)境、電（磁）環(huán)境、輻射環(huán)境等因素對(duì)斯特林制冷機(jī)的工作壽命和可靠性的影響尤為突出。

從以上可發(fā)現(xiàn)，空間環(huán)境的惡劣性如高溫、溫度劇變、真空壓力、核輻射、電磁輻射等，使組件的功能、性能及可靠性都面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。目前，在國(guó)內(nèi)對(duì)紅外焦平面探測(cè)器組件可靠性的考核主要是對(duì)性能進(jìn)行考核試驗(yàn)，而對(duì)其耐環(huán)境適應(yīng)性及可靠性評(píng)價(jià)等的考核有限，缺乏針對(duì)空間應(yīng)用環(huán)境可能造成的失效模式開(kāi)展相關(guān)的失效分析和研究。

3 探測(cè)器組件可靠性提高

針對(duì)紅外焦平面探測(cè)器組件面臨的空間環(huán)境挑戰(zhàn)及可靠性研究現(xiàn)狀，為提高探測(cè)器組件可靠性，應(yīng)分階段提高其可靠性。

a）提高組件固有可靠性

固有可靠性是可靠性的根本保障，為提高紅外探測(cè)器組件的可靠性，需提高其固有可靠性，而這貫穿了探測(cè)器組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和工藝優(yōu)化等整個(gè)研制過(guò)程。

目前組件普遍存在成品率低、工藝穩(wěn)定性差、參數(shù)指標(biāo)一致性不好等問(wèn)題。對(duì)此，應(yīng)分析和研究研制過(guò)程中的問(wèn)題，進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)充分利用原始數(shù)據(jù)進(jìn)行定性和定量的分析，找出可能的規(guī)律。此外，還應(yīng)對(duì)組件的失效模式及失效機(jī)理進(jìn)行研究，針對(duì)主要失效模式采取相應(yīng)的改進(jìn)措施，以提高組件固有可靠性。

從紅外探測(cè)器組件目前的研制和使用來(lái)看，銦柱互聯(lián)失效，光敏元性能退化、探測(cè)器電應(yīng)力失效，溫度應(yīng)力導(dǎo)致的材料蠕變失效，以及子模塊的裂片失效、組件的總劑量輻照效應(yīng)為組件的主要失效模式。對(duì)銦柱互聯(lián)失效，可采用銦柱回熔倒焊技術(shù)，提高銦柱結(jié)合力，降低失效率發(fā)生概率；對(duì)子模塊溫度循環(huán)應(yīng)力導(dǎo)致的失效，可采用芯片襯底減薄技術(shù)等提高可靠性，同時(shí)在子模塊溫度循環(huán)篩選試驗(yàn)中采用加嚴(yán)的低溫循環(huán)沖擊，合適的高溫烘烤溫度與時(shí)間等方法，有效剔除早期失效的子模塊；對(duì)探測(cè)器組件的總劑量輻照效應(yīng)，可用材料篩選、器件工藝和篩選，以及組件結(jié)構(gòu)等方法進(jìn)行抗輻射加固，并結(jié)合采用不同的退火或高溫烘烤條件與輻射后組件性能恢復(fù)關(guān)系的研究，采用預(yù)輻射和退火方法進(jìn)行組件的抗輻射加固。

b）提高組件使用可靠性

組件成型后，為提高使用可靠性，應(yīng)在使用前根據(jù)組件的技術(shù)特點(diǎn)及應(yīng)用背景進(jìn)行組件的可靠性評(píng)估。

紅外探測(cè)器組件可靠性評(píng)估過(guò)程中，應(yīng)針對(duì)不同型號(hào)應(yīng)用環(huán)境要求，明確不同型號(hào)對(duì)組件的共性與特殊要求。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合理的可靠性評(píng)估試驗(yàn)，對(duì)組件的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行摸底和評(píng)估。長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器組件的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且屬于典型的價(jià)貴量少器件，故可靠性評(píng)估中制定合理的可靠性評(píng)估方案尤為重要。對(duì)紅外探測(cè)器組件，破壞性摸底試驗(yàn)的重點(diǎn)是組件的核心功能部分即子模塊。針對(duì)模塊開(kāi)展結(jié)構(gòu)分析評(píng)價(jià)子模塊及組件結(jié)構(gòu)的合理性，并作針對(duì)性改進(jìn)。此外，對(duì)子模塊還應(yīng)開(kāi)展極限評(píng)估試驗(yàn)及抗輻射能力評(píng)估試驗(yàn)，以掌握子模塊及整個(gè)組件的應(yīng)用邊界條件，為探測(cè)器組件制定合理的篩選試驗(yàn)和條件提供數(shù)據(jù)支持，同時(shí)指導(dǎo)用戶合理地使用組件。對(duì)整個(gè)紅外探測(cè)器組件，主要進(jìn)行系統(tǒng)功能性能檢測(cè)、穩(wěn)定性評(píng)估、成像功能評(píng)估，以組件的可用度和成熟度評(píng)價(jià)。

c）關(guān)注使用中關(guān)鍵技術(shù)

作為集光、機(jī)、電為一體的高端技術(shù)產(chǎn)品，紅外探測(cè)器組件在使用中也有其特有的使用要求。只有在正確的使用條件下，才能避免人為因素帶來(lái)的額外失效，提高組件的可靠性。

作為一個(gè)結(jié)構(gòu)中集成有大量光學(xué)濾光片以及多個(gè)子模塊拼接而成的超長(zhǎng)線列，某種程度的振動(dòng)是其薄弱環(huán)節(jié)。因此，紅外探測(cè)器組件運(yùn)輸過(guò)程應(yīng)避免激烈的振動(dòng)。探測(cè)器組件中的讀出電路采用了標(biāo)準(zhǔn)CMOS集成電路工藝，是一類靜電放電敏感的芯片，安裝使用過(guò)程中嚴(yán)格采用防靜電措施（尤其是在接觸組件的輸入輸出引線處嚴(yán)禁直接用手接觸）；保證接口的正確性；嚴(yán)格按組件產(chǎn)品說(shuō)明書中給定的上電順序進(jìn)行上電；開(kāi)機(jī)過(guò)程中應(yīng)采取防護(hù)措施避免制冷機(jī)過(guò)電應(yīng)力損傷；制冷型紅外探測(cè)器需在規(guī)定的溫度條件下工作，工作過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)密監(jiān)控電控箱的狀態(tài)，以保證芯片所需的工作溫度，關(guān)機(jī)后等溫度回升后再移動(dòng)，以免組件里外冷熱不平衡造成額外的失效。

d）建立組件實(shí)際宇航應(yīng)用信息庫(kù)

航天用戶作為組件的最終使用方，掌握了珍貴的組件應(yīng)用第一手資料，但目前這些資料并未得到很好地分析和總結(jié)。應(yīng)建立組件實(shí)際宇航應(yīng)用信息庫(kù)，并對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，為提高組件的可靠性提供針對(duì)性的建議。

4 結(jié)束語(yǔ)

空間惡劣環(huán)境對(duì)用于星上的紅外焦平面探測(cè)器組件提出了苛刻的要求。本文基于紅外探測(cè)器組件典型組成部分的結(jié)構(gòu)和技術(shù)特點(diǎn)，分析了影響其固有可靠性的因素，同時(shí)根據(jù)星上應(yīng)用環(huán)境要求，討論了影響組件在星上應(yīng)用的因素，并提出了相應(yīng)的解決措施。研究對(duì)提高紅外焦平面探測(cè)器組件的可靠性有一定的參考意義。

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