喻松林 朱西安 周立慶 王成剛 孫浩 康鍵

（華北光電技術(shù)研究所，北京 100015）

百萬(wàn)像素中波紅外焦平面組件研制

喻松林 朱西安 周立慶 王成剛 孫浩 康鍵

（華北光電技術(shù)研究所，北京 100015）

中波紅外焦平面組件是“高分四號(hào)”衛(wèi)星凝視相機(jī)紅外成像通道的核心器件。為滿足航天型號(hào)應(yīng)用要求，華北光電技術(shù)研究所項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)立足國(guó)內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)，采用主流的紅外焦平面組件技術(shù)路線，突破了高均勻性中波紅外材料制備、百萬(wàn)像素中波探測(cè)器芯片加工、超大規(guī)模讀出電路設(shè)計(jì)、高密度銦柱陣列倒裝互連、大冷頭尺寸微型杜瓦封裝等關(guān)鍵技術(shù)，研制了像元數(shù)為1 024×1 024的百萬(wàn)像素大面陣中波紅外焦平面組件，對(duì)大面陣中波紅外焦平面組件的像元響應(yīng)一致性、航天環(huán)境適應(yīng)性、可靠性等進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了地面測(cè)試和試驗(yàn)驗(yàn)證。中波紅外焦平面組件的噪聲等效溫差達(dá)到21.4mK、有效像元率優(yōu)于99%，經(jīng)過(guò)高溫70℃條件下1 500h長(zhǎng)期存儲(chǔ)和12 000次開關(guān)機(jī)溫度沖擊等試驗(yàn)后性能穩(wěn)定。測(cè)試和試驗(yàn)結(jié)果表明：像元數(shù)為1 024×1 024中波紅外焦平面組件產(chǎn)品的性能、環(huán)境適應(yīng)性和可靠性滿足技術(shù)要求。

百萬(wàn)像素 中波 紅外焦平面 優(yōu)化 “高分四號(hào)”衛(wèi)星

0 引言

“高分四號(hào)”衛(wèi)星是高分辨率對(duì)地觀測(cè)重大專項(xiàng)規(guī)劃的、工作于地球靜止軌道的高分辨率對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星，星上裝載了一臺(tái)凝視相機(jī)，相機(jī)包括50m地面像元分辨率的可見光近紅外成像通道和400m地面像元分辨率的中波紅外成像通道。為滿足“高分四號(hào)”衛(wèi)星中波紅外成像通道的高分辨率成像和高穩(wěn)定性、高可靠性、長(zhǎng)壽命在軌工作等要求，華北光電技術(shù)研究所立足國(guó)內(nèi)技術(shù)基礎(chǔ)，開展了像元數(shù)為1 024× 1 024中波紅外焦平面組件工程研制，這是國(guó)產(chǎn)百萬(wàn)像素中波紅外焦平面組件首次應(yīng)用于航天工程項(xiàng)目。

百萬(wàn)像素中波紅外焦平面組件的像元數(shù)為1 024×1 024，是第三代紅外焦平面組件的典型產(chǎn)品，國(guó)際上僅美國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、以色列等國(guó)家的相關(guān)公司掌握了這一產(chǎn)品的研制技術(shù)，但對(duì)我國(guó)采取嚴(yán)格禁運(yùn)措施。為滿足“高分四號(hào)”衛(wèi)星紅外成像通道的技術(shù)要求，在國(guó)家重大科技專項(xiàng)的支持下，華北光電技術(shù)研究所組建了百萬(wàn)像素中波紅外焦平面組件研發(fā)團(tuán)隊(duì)，從2009年開始，開展了關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品研制、性能優(yōu)化和地面驗(yàn)證等專項(xiàng)攻關(guān)工作。

1 大面陣中波紅外焦平面組件研制

在綜合分析國(guó)際上幾種主流大面陣中波紅外焦平面組件技術(shù)和工藝路線的基礎(chǔ)上[1-8]，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有的技術(shù)和工藝基礎(chǔ)，確定了“高分四號(hào)”衛(wèi)星工程用百萬(wàn)像素中波紅外焦平面組件應(yīng)采用目前主流的、先進(jìn)的紅外焦平面探測(cè)器芯片與硅讀出電路倒裝互連混成耦合的研制技術(shù)路線。其中，探測(cè)器材料采用基于液相外延技術(shù)生長(zhǎng)紅外薄膜材料的技術(shù)路線，探測(cè)器芯片采用平面式光電二極管器件技術(shù)路線，探測(cè)器讀出電路采用自主設(shè)計(jì)、代工廠外協(xié)流片的技術(shù)路線，探測(cè)器芯片與讀出電路通過(guò)高精度倒裝互連技術(shù)進(jìn)行耦合，采用航天工程專用微杜瓦進(jìn)行封裝，由長(zhǎng)壽命大冷量制冷機(jī)提供組件制冷，最終獲得像元數(shù)為1 024×1 024中波紅外焦平面組件。同時(shí)，通過(guò)對(duì)高性能抗輻照中波探測(cè)器技術(shù)、超高密度中波探測(cè)器芯片及互連耦合技術(shù)、中波紅外焦平面組件產(chǎn)品化技術(shù)、中波紅外焦平面組件環(huán)境適應(yīng)性和可靠性技術(shù)開展專題研究，突破中波紅外焦平面組件的關(guān)鍵技術(shù)，成功研制了各項(xiàng)性能指標(biāo)合格、產(chǎn)品的環(huán)境適應(yīng)性和可靠性滿足航天器各項(xiàng)環(huán)境指標(biāo)要求的百萬(wàn)像素中波紅外焦平面組件。

通過(guò)中波紅外焦平面組件的總體設(shè)計(jì)和關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究，突破了高均勻性大尺寸中波紅外材料制備、百萬(wàn)像素中波探測(cè)器芯片工藝、超大規(guī)模讀出電路設(shè)計(jì)與抗輻照加固、高密度銦柱陣列倒裝互連、大冷頭微型杜瓦設(shè)計(jì)與輻射屏蔽加固技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和工藝，完成了高性能抗輻照探測(cè)器、超高密度百萬(wàn)像素探測(cè)器芯片互連耦合、組件產(chǎn)品化、組件環(huán)境適應(yīng)性和可靠性等專題研究，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的像元數(shù)為1 024×1 024中波紅外焦平面組件工藝文件及成套工藝，研制了航天級(jí)第三代大面陣中波紅外焦平面組件，為“高分四號(hào)”衛(wèi)星的研制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。像元數(shù)為1 024×1 024中波紅外焦平面組件的主要性能如表1所示。

表1 中波紅外焦平面組件的主要性能指標(biāo)Tab.1 The main performance parameters of MW IRFPA

2 大面陣中波紅外焦平面組件性能優(yōu)化

為更好的滿足“高分四號(hào)”衛(wèi)星在軌長(zhǎng)期高性能、高可靠性工作要求，在突破百萬(wàn)像素中波大面陣紅外焦平面組件關(guān)鍵技術(shù)、獲得性能良好的像元數(shù)為1 024×1 024中波紅外焦平面組件樣品基礎(chǔ)上，重點(diǎn)進(jìn)行了探測(cè)器工作譜段、探測(cè)器像元響應(yīng)一致性、探測(cè)器長(zhǎng)期穩(wěn)定性等方面的優(yōu)化。

2.1 中波紅外探測(cè)器工作譜段優(yōu)化

為滿足對(duì)地面目標(biāo)的高分辨率成像要求，“高分四號(hào)”衛(wèi)星紅外成像通道對(duì)中波紅外工作譜段進(jìn)行了精細(xì)考慮，要求的工作譜段范圍為（3.5±0.05）μm～（4.1±0.05）μm。為滿足“高分四號(hào)”衛(wèi)星紅外成像通道提出的工作譜段精細(xì)要求，在探測(cè)器組件工程產(chǎn)品研制階段，對(duì)中波紅外焦平面組件的工作譜段進(jìn)行了優(yōu)選。

根據(jù)工作譜段要求，進(jìn)行了中波紅外材料的組分設(shè)計(jì)和計(jì)算[9-16]，選用組份為0.290～0.315的襯底進(jìn)行中波紅外薄膜材料外延生長(zhǎng)，可以滿足組件譜段范圍的要求。通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)理論的深入研究，結(jié)合大量的工藝實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，得出優(yōu)化后的中波紅外襯底材料的鋅值為0.04±0.01。

2.2 中波紅外探測(cè)器像元響應(yīng)一致性優(yōu)化

為提高大面陣中波紅外焦平面組件的像元響應(yīng)一致性，進(jìn)行了中波紅外材料缺陷降低和均勻性提升等方面的優(yōu)化。

從紅外晶體材料制備、中波紅外材料外延生長(zhǎng)等方面采取優(yōu)化措施，進(jìn)一步降低材料的缺陷密度，獲得高品質(zhì)的中波紅外材料；選擇晶格常數(shù)匹配的紅外材料作為襯底，通過(guò)磨拋、化學(xué)腐蝕等表面處理工藝，提高襯底表面的平整性和清潔度；通過(guò)提高襯底品質(zhì)、改進(jìn)外延生長(zhǎng)工藝和熱處理工藝等來(lái)提高外延薄膜材料的生長(zhǎng)品質(zhì)，改善材料的電性能。

同時(shí)，為保證百萬(wàn)像素中波紅外焦平面組件的像元響應(yīng)一致性，還進(jìn)行了中波探測(cè)器芯片高均勻性干法刻蝕的優(yōu)化。

像元數(shù)為1 024×1 024中波紅外探測(cè)器芯片的管芯尺寸為17mm×20mm，存在較嚴(yán)重的干法刻蝕負(fù)載效應(yīng)，引起不同區(qū)域刻蝕速率、刻蝕深度的明顯差異，使得中波紅外探測(cè)器芯片大面積刻蝕均勻性、刻蝕深度一致性、刻蝕工藝重復(fù)性控制等方面精確控制的難度較大。經(jīng)過(guò)對(duì)國(guó)際上同類探測(cè)器組件刻蝕技術(shù)的綜合分析[17-18]，采用ICP刻蝕（Inductively Coupled Plasma Etching）工藝，進(jìn)行了ICP功率、氣體配比、反應(yīng)自偏壓、工藝溫度等多方面的工藝研究和工藝參數(shù)優(yōu)化，刻蝕圖形的刻蝕邊緣陡直度與刻蝕一致性滿足工藝要求（見圖1），工藝優(yōu)化后的刻蝕圖形邊緣明顯改善（見圖2），取得了良好的工藝效果，保證了中波紅外探測(cè)器芯片的像元響應(yīng)一致性。

圖1 中波紅外探測(cè)器芯片的干法刻蝕圖形Fig.1 Dry etching shape of MW IRFPA chip

圖2 工藝優(yōu)化前后干法刻蝕形貌對(duì)比Fig.2 Dry etching shape comparison before and after process optimization

2.3中波紅外探測(cè)器長(zhǎng)期穩(wěn)定性優(yōu)化

百萬(wàn)像素中波紅外焦平面組件通過(guò)高密度銦柱陣列完成中波探測(cè)器芯片與硅 CMOS讀出電路的倒裝互連。由于中波紅外探測(cè)器芯片陣列規(guī)格大，互連后的中波紅外焦平面探測(cè)器要經(jīng)過(guò)多次300K與77K之間的反復(fù)溫度沖擊，極易因巨大的熱失配造成探測(cè)器芯片與讀出電路之間的銦柱斷裂；同時(shí)，中波紅外焦平面組件經(jīng)受的隨機(jī)振動(dòng)也會(huì)造成紅外探測(cè)器芯片與讀出電路在邊緣處的互連失效。因此，中波紅外探測(cè)器芯片與讀出電路的互連可靠性對(duì)中波紅外焦平面組件的長(zhǎng)期性能的穩(wěn)定性至關(guān)重要。

在探測(cè)器組件工程產(chǎn)品研制階段，重點(diǎn)進(jìn)行了中波紅外探測(cè)器芯片表面平面度控制、高密度互連銦柱成型、互連耦合力學(xué)特性優(yōu)化、底部填充背減薄等方面的工藝優(yōu)化。通過(guò)上述幾方面工藝優(yōu)化，保證了探測(cè)器芯片與讀出電路的倒裝互連成品率和探測(cè)器組件的長(zhǎng)期可靠性，提高了探測(cè)器組件工程產(chǎn)品性能的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

經(jīng)過(guò)探測(cè)器組件工程產(chǎn)品研制階段的優(yōu)化，探測(cè)器組件的性能和長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性得到進(jìn)一步提升。

3 大面陣中波紅外焦平面組件地面驗(yàn)證

為滿足“高分四號(hào)”衛(wèi)星紅外成像通道的長(zhǎng)期在軌正常工作要求，充分考核中波紅外焦平面組件的工作穩(wěn)定性與可靠性，按照紅外焦平面組件的國(guó)軍標(biāo)、《像元數(shù)為1 024×1 024中波紅外焦平面組件產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范》、《“高分四號(hào)”衛(wèi)星用中波紅外探測(cè)器組件任務(wù)書》等要求，完成了環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)、長(zhǎng)期高溫儲(chǔ)存試驗(yàn)、連續(xù)工作試驗(yàn)和開關(guān)機(jī)溫度沖擊試驗(yàn)等地面驗(yàn)證試驗(yàn)，并根據(jù)在軌工作任務(wù)剖面開展了壽命試驗(yàn)。

3.1 環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)情況

按照國(guó)軍標(biāo)要求，兩套像元數(shù)為1 024×1 024中波紅外焦平面組件（產(chǎn)品編號(hào)11003#、11004#）通過(guò)了表2所列試驗(yàn)項(xiàng)目的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 長(zhǎng)期高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)情況

按照國(guó)軍標(biāo)要求，一套像元數(shù)為1 024×1 024中波紅外焦平面組件（產(chǎn)品編號(hào)11005#）完成了高溫70℃、1 500h的高溫儲(chǔ)存試驗(yàn)，試驗(yàn)前后探測(cè)器組件的主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試情況見表3。

從長(zhǎng)期高溫儲(chǔ)存試驗(yàn)前后的主要性能參數(shù)測(cè)試對(duì)比看，中波紅外焦平面組件經(jīng)過(guò)高溫70℃、1 500h長(zhǎng)期儲(chǔ)存后，性能穩(wěn)定。

表2 像元數(shù)為1 024×1 024中波紅外焦平面組件的環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 The test results of environmental adaptability of 1 024×1 024 pixels MW IRFPA

表3 中波紅外焦平面組件長(zhǎng)期高溫存儲(chǔ)試驗(yàn)情況Tab.3 The test results of 70℃ long-term storage of MW IRFPA

3.3 試驗(yàn)情況

按照國(guó)軍標(biāo)和產(chǎn)品詳細(xì)規(guī)范要求，一套像元數(shù)為1 024×1 024中波紅外焦平面組件（產(chǎn)品編號(hào)11006#）進(jìn)行了連續(xù)工作壽命試驗(yàn)，試驗(yàn)條件為：環(huán)境溫度 23℃±5℃，制冷溫度 80±4K下，制冷機(jī)輸入電壓為15.5V±0.3V，探測(cè)器組件持續(xù)加電，連續(xù)工作2 000h。試驗(yàn)前后探測(cè)器組件的主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試情況見表4。

從2 000h連續(xù)工作試驗(yàn)前后的主要性能參數(shù)測(cè)試對(duì)比看，中波紅外焦平面性能穩(wěn)定。

表4 中波紅外焦平面組件連續(xù)工作試驗(yàn)情況Tab.4 The test results of continuous operation of MW IRFPA

3.4開關(guān)機(jī)溫度沖擊試驗(yàn)情況

根據(jù)中波紅外焦平面組件的工作特點(diǎn)，對(duì)一套像元數(shù)為 1 024×1 024中波紅外焦平面組件開展了12 000次開關(guān)機(jī)溫度沖擊試驗(yàn)，并測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中中波紅外焦平面組件的有效像元率，對(duì)比分析有效像元率的變化情況，試驗(yàn)條件為：高溫23℃±5℃（環(huán)境溫度），低溫80±4K（制冷溫度），高溫和低溫時(shí)各加電工作15min。從12 000次開關(guān)機(jī)試驗(yàn)前后探測(cè)器組件有效像元率測(cè)試對(duì)比圖（圖3）可以看出，試驗(yàn)前后探測(cè)器失效像元數(shù)量及分布變化極小。

圖3 12 000次開關(guān)機(jī)溫度沖擊試驗(yàn)前后盲元變化對(duì)比Fig.3 The Non-operability comparison before and after 12 000 times On-Off and temperature shock experiment of 1 024×1 024 pixels MW IRFPA

另外，通過(guò)分析研究在軌工作任務(wù)剖面，結(jié)合中波紅外焦平面組件的工作特點(diǎn)和可能的主要失效模式，制定了地面壽命試驗(yàn)方案，選取三套與正樣組件同設(shè)計(jì)、同工藝的中波紅外焦平面組件，進(jìn)行以下幾方面地面壽命試驗(yàn)：

1）探測(cè)器加斷電不少于35 919次；

2）探測(cè)器累計(jì)通電不小于9 913h；

3）開關(guān)機(jī)溫度沖擊循環(huán)次數(shù)不少于493次。

通過(guò)上述試驗(yàn)項(xiàng)目，對(duì)像元數(shù)為1 024×1 024中波紅外焦平面組件進(jìn)行累積通電、開關(guān)機(jī)溫度沖擊、累積加斷電等試驗(yàn)，進(jìn)一步積累了地面壽命數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)家重大科技專項(xiàng)的支持下，按照“高分四號(hào)”衛(wèi)星紅外成像通道的應(yīng)用要求，通過(guò)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品研制及性能優(yōu)化，首次在國(guó)內(nèi)研制出滿足具有抗輻照能力的像元數(shù)為1 024×1 024中波紅外焦平面組件產(chǎn)品，并完成了地面性能測(cè)試、地面環(huán)境適應(yīng)性及可靠性等試驗(yàn)，組件產(chǎn)品表現(xiàn)出良好的性能、長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性。

同時(shí)，在國(guó)家重大科技專項(xiàng)的支持和“高分四號(hào)”衛(wèi)星型號(hào)的牽引下，形成了完整的百萬(wàn)像素中波紅外焦平面組件研發(fā)平臺(tái)，為開展其它大面陣紅外焦平面組件的研制奠定了良好基礎(chǔ)。

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Development of Middle Wave IRFPA with Million Pixels

YU Songlin ZHU Xi’an ZHOU Liqing WANG Chenggang SUN Hao KANG Jian

（North China Research Institute of Electro-optics, Beijing 100015, China）

The middle wave infrared focal plane assembly (IRFPA) is the core detector for the infrared imaging channel in the staring camera of the GF-4 satellite. In order to fully meet the application requirements, the project team of NCRIEO adopted the mainstream IRFPA technical route to carry out the research on the large format middle wave IRFPA. Breakthroughs have been achieved in key technologies including high uniformity middle wave IR material preparation, million pixels middle wave IR chip processing, ultra large format ROIC design, high density Indium array flip chip bonding, and large capacity micro dewar sealing. Million pixels large array middle wave IRFPA with 1 024×1 024 pixels are developed. An optimied design is made to improve the responsive uniformity, space environmental adaptability and reliability of the large array middle wave IRFPA, which has been tested and experimentally verified on the ground. The NETD of the middle wave IRFPA is as low as 21.4mK. The operability is better than 99%. The performance proves to be stable after 1 500h storage under 70℃ and 12 000 times On/Off temperature shock test. The results of the test and experiment indicate that the performance as well as the environmental adaptability and reliability of the 1 024×1 024 middle wave IRFPA fully complies with the technical requirements.

million pixels; middle wave; infrared focal plane array; optimization; GF-4 satellite

TP732.2

: A

: 1009-8518(2016)04-0059-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.008

喻松林，男，1966年生，1988年畢業(yè)于華中科技大學(xué)，碩士，研究員。主要研究方向?yàn)楣怆娂夹g(shù)與圖像處理。E-mail: yusir8511@sina.com。

（編輯：龐冰）

2016-06-06

國(guó)家重大科技專項(xiàng)工程