雷 震，張立文，張曉玲，孟慶端，張曉紅

(河南科技大學(xué)，河南洛陽471023)

1 引言

InSb紅外面陣探測器通常采用倒裝焊接技術(shù)混合集成、背照射方式工作，探測器工作時，需要通過制冷器把探測器快速地從室溫(300 K)降到液氮溫度(77 K)，在溫度快速下降過程中，由于探測器各材料熱膨脹系數(shù)的不同將會在探測器中引起熱應(yīng)力/應(yīng)變，導(dǎo)致探測器芯片碎裂，嚴(yán)重制約著InSb紅外面陣探測器的適用性、列裝性，成為批量生產(chǎn)中亟需解決的首要問題。

目前對器件可靠性的研究手段主要基于有限元模擬法，通過分析熱應(yīng)力/應(yīng)變評估其結(jié)構(gòu)的可靠性［1－5］。為解決大面陣探測器結(jié)構(gòu)三維建模時所需單元數(shù)巨大、難以求解的問題，本課題組基于所提出的等效設(shè)想［6］，利用小面陣等效大面陣建模方法建立了InSb紅外焦平面探測器三維結(jié)構(gòu)分析模型［7－8］，研究發(fā)現(xiàn)熱沖擊下探測器最大Von Mises應(yīng)力位于N電極區(qū)域，且呈現(xiàn)出非連續(xù)的極值分布，這意味著熱沖擊下InSb紅外面陣探測器的裂紋應(yīng)起源于N電極區(qū)域，與碎裂統(tǒng)計報告中典型裂紋起源地及裂紋分布相吻合。為了減小InSb紅外面陣探測器裂紋起源地的熱應(yīng)力值，降低碎裂幾率，揭示熱沖擊過程中InSb紅外面陣探測器中熱應(yīng)力/應(yīng)變分布與N電極結(jié)構(gòu)尺寸和材料選取等參數(shù)的依賴關(guān)系，本文研究了N電極在不同材料及厚度下對InSb紅外面陣探測器應(yīng)力值及其分布影響，為進一步減小探測器N電極區(qū)域熱應(yīng)力/應(yīng)變進行結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。

2 有限元模型

基于先分割后等效的三維高保真建模思想［9］，利用32×32小面陣等效大面陣建立起128×128元InSb紅外面陣探測器結(jié)構(gòu)分析模型，所建立的三維有限元模型如圖1所示。從上到下依次為InSb芯片(厚度10 μm)、N 電極(厚度 d變化范圍為2 ～6 μm，步長為1 μm)、銦柱和底充膠(二者相間排布，厚度10 μm)、硅讀出電路(厚度300 μm)。模型被A－B－C平面(與Z－Y平面平行)切分成兩個內(nèi)外區(qū)域，其內(nèi)部區(qū)域是光敏元陣列，外部區(qū)域包括N電極和四周用于測試的光敏元陣列。網(wǎng)格劃分時采用自由網(wǎng)格劃分方法，并對InSb芯片進行局部1倍加密處理。溫度沖擊的初始點溫度為370 K，即倒裝焊時的溫度，對應(yīng)于零應(yīng)力狀態(tài)，結(jié)束溫度為77 K，求解過程采用瞬態(tài)分析的方法，載荷步采用斜坡加載方式。

根據(jù)金屬/半導(dǎo)體歐姆接觸機理和相關(guān)III－V族化合物的研究，由于InSb的禁帶寬度較小，且In和Sb原子質(zhì)量較大，這樣與某些金屬接觸可直接實現(xiàn)理想的歐姆接觸;在77 K下，金和銦都能與InSb形成良好的歐姆接觸［10，11］，因此選取金和銦作為N電極材料。

圖1 InSb紅外面陣探測器三維有限元模型Fig.1 Three dimensional model of InSb infrared focal plane array

銦柱材料表現(xiàn)為粘塑性［12］，用VISCO107單元描述。其他材料視為線彈性材料，選用SOLID95單元描述。各材料的線彈性參數(shù)值如表1所示。

表1 線彈性材料參數(shù)Tab.1 Liner elastic material parameters

其中，表1中α為底充膠的線膨脹系數(shù)，在77～300 K的溫度范圍內(nèi)，可由式(1)給出［13］:

α=22.46×10－6+5.04×10－8×(T－273)(1)式中，T的單位為K。

同時考慮InSb紅外探測器服役溫度(77～300 K)，溫度變化范圍達到了223 K，各材料的熱膨脹系數(shù)不再是一個定值，而是隨溫度發(fā)生變化，表現(xiàn)出明顯的溫度相關(guān)性［14－15］，如圖2所示。

圖2 材料熱膨脹系數(shù)隨溫度的變化Fig.2 The linear CTEs for materials in the model as functions of temperature

3 仿真結(jié)果分析

為研究N電極尺寸對InSb紅外面陣探測器結(jié)構(gòu)應(yīng)力/應(yīng)變的影響，選取金作為N電極材料，在保持N電極寬度不變的前提下改變N電極的厚度，以步長1 μm，使 N 電極厚度從2 μm 增長到 6 μm，仿真結(jié)果如圖3所示。結(jié)果顯示，隨著N電極厚度從2 μm增長到6 μm，InSb紅外面陣探測器中銦柱、Si讀出電路和底充膠上熱應(yīng)力極值基本保持不變，分別在2.8 MPa、350 MPa、280 MPa左右，表明整個探測器結(jié)構(gòu)中，N電極材料尺寸變化對銦柱、Si讀出電路和底充膠上熱應(yīng)力影響較小。但是，隨著N電極厚度的增加，InSb芯片和N電極上的熱應(yīng)力極值卻發(fā)生了明顯的變化，即InSb芯片上熱應(yīng)力極值近似呈線性減小，N電極上的熱應(yīng)力極值出現(xiàn)了先急劇減小而后緩慢減小的現(xiàn)象，表明了N電極尺寸的變化對InSb芯片和N電極承受的熱應(yīng)力有較大的影響，并且N電極越薄，InSb芯片和N電極上累積的熱應(yīng)力越大。

圖3 熱應(yīng)力最大值隨N電極厚度變化曲線Fig.3 Von Mises stress maximum values of materials as a function of N electrode thickness

另外，在N電極厚度從2 μm增長到6 μm過程中，InSb芯片的熱應(yīng)力值始終最大，而銦柱的熱應(yīng)力值始終保持最小，基本維持在2.8 MPa左右，與橫坐標(biāo)軸幾乎重合。這一方面源于具有塑性形變的銦柱在極低溫時具有良好的延展性，抵抗熱失配應(yīng)變能力強;另一方面底充膠加入后起到很好的支撐和束縛作用，減小了銦柱的形變。而InSb芯片比較薄，其抗變形能力較弱，使原本分布于銦柱焊點上的應(yīng)力會轉(zhuǎn)移到InSb芯片上，導(dǎo)致InSb芯片應(yīng)力最大，這與前期研究結(jié)果一致［6，8］?？梢钥闯?，銦柱上最大熱應(yīng)力值遠低于InSb芯片上熱應(yīng)力值，不超過InSb芯片上最大熱應(yīng)力值的0.6%，因此，盡量降低InSb芯片上尤其是N電極區(qū)域的熱應(yīng)力，已成為InSb紅外面陣探測器結(jié)構(gòu)優(yōu)化的核心問題之一。

圖4給出了垂直于探測器方向(Z方向)的應(yīng)變極值隨N電極厚度的變化。仿真顯示，隨著N電極厚度增加，Si讀出電路、銦柱和底充膠上Z方向應(yīng)變極值變化不大，其變化趨勢近似呈水平的直線。模型中InSb芯片、底充膠和銦柱的厚度相同，但是對于InSb芯片上最大應(yīng)變值來說，則表現(xiàn)出與銦柱和底充膠完全不同的變化:InSb芯片上應(yīng)變極值始終保持最大，并且隨著N電極的厚度從2 μm增加到6 μm過程中，InSb芯片上Z方向應(yīng)變極值呈現(xiàn)出先急速減小，然后經(jīng)過一段平坦變化，再緩慢減小的現(xiàn)象。另外，N電極上的Z方向應(yīng)變極值隨著N電極的厚度也呈現(xiàn)出線性減小的變化趨勢，從0.028逐漸遞減到0.014，降低了1倍，并且在N電極的厚度增加到4 μm以后，N電極上的形變開始小于其它各材料形變。這也表明，N電極的尺寸變化對InSb芯片和N電極的形變影響較大，N電極越薄，熱沖擊下InSb芯片和N電極的變形越大。

圖4 Z方向最大應(yīng)變隨N電極厚度變化曲線Fig.4 Z-component of strain maximum values as a function of N electrode thickness

綜合圖3和圖4分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在溫度沖擊下，隨著N電極厚度增加，Si讀出電路、底充膠和In柱的最大應(yīng)力/應(yīng)變值變化基本不大，但是，InSb芯片和N電極上的最大應(yīng)力/應(yīng)變值呈現(xiàn)出明顯減小趨勢，考慮到熱沖擊下器件的碎裂主要發(fā)生在N電極附近的InSb芯片上，因此，通過選擇合適的N電極尺寸，能夠有效降低InSb光敏元芯片和N電極上的應(yīng)力/應(yīng)變，減小芯片的碎裂幾率。

為研究不同材料的N電極對InSb紅外面陣探測器應(yīng)力的影響，分別選取金和銦作為N電極材料，在N電極材料厚度為4 μm條件下對InSb紅外面陣進行熱沖擊仿真實驗，仿真得到探測器中不同材料所累積的熱應(yīng)力極值如圖5所示。在N電極分別選取金和銦材料時，Si讀出電路、底充膠和銦柱上熱應(yīng)力極值基本保持不變，分別維持在350 MPa、275 MPa和2.8 MPa左右，說明N電極在這兩種材料下對Si讀出電路、底充膠和銦柱上應(yīng)力影響較小。然而，此時易于碎裂的InSb芯片和N電極上的熱應(yīng)力極值卻發(fā)生迥然不同的變化:N電極為金材料，InSb芯片所承受的熱應(yīng)力極值為503 MPa，N電極選用銦材料，InSb芯片上的熱應(yīng)力極值增漲到918 MPa，增加了近1倍;與之對應(yīng)的N電極熱應(yīng)力極值，分別為242 MPa、2.82MPa，在電極材料為銦時，N電極上的熱應(yīng)力極值反而減小了兩個數(shù)量級。造成N電極和InSb芯片上熱應(yīng)力明顯的差別原因，是由于在低溫下銦材料比金材料具有更好的柔韌性、延展性，呈現(xiàn)出明顯的粘塑性行為，當(dāng)N電極采用銦材料時，銦電極會依靠形變減小自身積累的熱應(yīng)力，從而把熱應(yīng)力進一步轉(zhuǎn)移到InSb芯片上，導(dǎo)致InSb芯片應(yīng)力進一步增加，這使得較薄的InSb芯片更易于碎裂。

圖5 分別采用金和銦做N電極時最大熱應(yīng)力值比較Fig.5 Von Mises stress maximum values of materials VS Gold and indium respectively used as N electrode

N電極分別采用金和銦材料時，InSb芯片上熱應(yīng)力分布如圖6和圖7所示。從數(shù)值仿真結(jié)果可知，兩種情況下，在N電極上方區(qū)域都呈現(xiàn)出非連續(xù)的極值分布，這也和某批次生產(chǎn)中的典型碎裂統(tǒng)計分析結(jié)果一致:起源于N電極區(qū)域的裂紋造成的InSb芯片碎裂約占探測器總碎裂量的80%［7］。值得注意的是，在銦材料做N電極時，InSb芯片的最大熱應(yīng)力出現(xiàn)在N電極區(qū)域，最大應(yīng)力值高達918 MPa，比金材料做 N電極時的應(yīng)力極值高出82.5%。考慮到熱沖擊下InSb面陣探測器的裂紋最大可能起源于N電極區(qū)域，InSb芯片上N電極區(qū)域積累的熱應(yīng)力對芯片碎裂影響大，雖然銦在低溫下具有良好的延展性和導(dǎo)電性，但是，為了降低N電極區(qū)域積累的熱應(yīng)力，選用金材料更有利于降低InSb芯片的碎裂幾率。

圖6 采用金做N電極材料時InSb上熱應(yīng)力分布Fig.6 Von Mises stress distribution of InSb chip with Gold material as N electrode

圖7 采用銦做N電極材料時InSb上熱應(yīng)力分布Fig.7 Von Mises stress distribution of InSb chip with Indium material as N electrode

4 結(jié)論

熱沖擊下InSb芯片的碎裂問題使得面陣探測器的成品率極低，制約著面陣探測器的適用性、列裝性，成為紅外面陣探測器批量生產(chǎn)中的主要障礙。本文借助Ansys有限元分析軟件，研究了N電極不同結(jié)構(gòu)尺寸和材料選取對InSb紅外面陣探測器結(jié)構(gòu)應(yīng)力及其分布的影響。結(jié)果表明，InSb芯片和N電極承受的熱應(yīng)力/應(yīng)變對N電極尺寸的變化具有一定的依賴性，呈現(xiàn)出N電極越薄，InSb芯片和N電極熱應(yīng)力/應(yīng)變越大。另外，N電極選取金和銦不同材料時，溫度沖擊下InSb芯片和N電極上累積的熱應(yīng)力值也發(fā)生了完全不同的變化。因此，選取合適的N電極結(jié)構(gòu)尺寸和材料，能夠有效地降低芯片碎裂幾率，從而提高器件的可靠性。

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