王洋　張宏飛　孟超　司俊杰

摘要：? ? ? InSb紅外探測(cè)器是紅外系統(tǒng)的核心部件， 探測(cè)器的壽命在很大程度上決定著系統(tǒng)的壽命， 直接影響著系統(tǒng)的使用及保障。 因此， 探測(cè)器的壽命如何評(píng)價(jià)及采用何種試驗(yàn)方法來(lái)評(píng)價(jià)至關(guān)重要， 但由于紅外系統(tǒng)的敏感性， 可查閱的國(guó)外資料比較少， 并且壽命試驗(yàn)周期長(zhǎng)、 費(fèi)用高， 國(guó)內(nèi)至今未形成有效的壽命試驗(yàn)、 分析與評(píng)價(jià)方法。? 本文采用15個(gè)InSb多元探測(cè)器開(kāi)展了貯存試驗(yàn)研究， 應(yīng)力水平分別為70 ℃、 80 ℃、 90 ℃。 測(cè)試試驗(yàn)過(guò)程中不同溫度下熱負(fù)載的變化， 對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析及處理， 獲得了壽命加速模型t=2.18×10-8·exp（0.79/KT）， 激活能為0.79 eV， 評(píng)估了探測(cè)器在30 ℃下壽命可以達(dá)到30.76年。

關(guān)鍵詞：? ? ? 探測(cè)器;? InSb; 壽命試驗(yàn); 貯存壽命; 玻璃杜瓦

中圖分類號(hào)：? ? ?TN215; TJ760.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：? ? A文章編號(hào)：? ? ?1673-5048（2020）02-0092-05

0引言

玻璃杜瓦內(nèi)部真空度的保持時(shí)間直接關(guān)系到探測(cè)器的貯存壽命， 這種由于真空度下降導(dǎo)致器件失效的壽命稱為貯存壽命， 影響真空度主要原因有杜瓦漏氣和材料放氣。

杜瓦漏氣是不可避免的。 嚴(yán)格來(lái)說(shuō)， 一切真空器件漏氣是絕對(duì)的， 不漏是相對(duì)的。 通常氣體分子能滲透不同金屬、 非金屬材料的晶格進(jìn)入器件內(nèi)部， 但在探測(cè)器工作溫度范圍內(nèi)數(shù)量級(jí)很小， 而制造工藝不良帶來(lái)的漏氣遠(yuǎn)比材料滲透大幾個(gè)數(shù)量級(jí)[1]。 對(duì)于玻璃杜瓦而言， 優(yōu)化生產(chǎn)工藝、 減少接縫、 材料預(yù)處理都能有效降低產(chǎn)品的漏氣率。

材料放氣主要源于杜瓦內(nèi)部濾光片支架、 冷光闌等金屬材料[2]。 玻璃杜瓦經(jīng)過(guò)高溫排氣之后， 真空內(nèi)壁溶解、 吸附的氣體相對(duì)漏氣基本可忽略。 材料放氣速率隨溫度升高而加大， 通過(guò)高溫烘烤試驗(yàn)可以得到產(chǎn)品加速壽命。

本文選用制冷型InSb多元探測(cè)器樣本進(jìn)行高溫貯存試驗(yàn)， 對(duì)杜瓦性能進(jìn)行測(cè)試并分析， 由此對(duì)InSb多元紅外探測(cè)器的高溫貯存壽命開(kāi)展研究。

1玻璃杜瓦真空壽命分析

1.1玻璃杜瓦漏氣

在忽略杜瓦內(nèi)部放氣的條件下， 根據(jù)式（1）計(jì)算玻璃杜瓦組件理論壽命：

式中：? t為從P0到Pt所需的時(shí)間， s; Pt為器件正常工作允許最低真空度， Pa;? P0為器件封離排氣系統(tǒng)時(shí)真空度， Pa; V為器件真空總?cè)莘e， L; Q為氦氣總漏氣速率， Pa·L/s。

加速試驗(yàn)所選用器件的真空總?cè)莘eV為2 812.758 6 mm3，Q0≤8×10-15 He.atm.cc/s， P0≤1×10-6 Pa， 而且玻璃杜瓦組件真空度Pt≥0.1 Pa時(shí)失效[3]。 通過(guò)計(jì)算可得器件的真空壽命在11年（He）以上。 氣體的漏率與質(zhì)量數(shù)成反比。 氦氣的漏率是空氣漏率的2.7倍， 氦漏率下計(jì)算的器件壽命11年換算為空氣下的壽命應(yīng)為30年以上。 在玻璃杜瓦組件不發(fā)生更大的物理破壞導(dǎo)致漏氣增加的情況下， 玻璃杜瓦組件的漏率不會(huì)增加， 因此不考慮玻璃杜瓦內(nèi)部放氣的條件下， 試驗(yàn)所用探測(cè)器的玻璃杜瓦的壽命至少能夠達(dá)到30年。

1.2玻璃杜瓦放氣

玻璃杜瓦內(nèi)部的各個(gè)零件在大氣環(huán)境下溶解、 吸附了一些氣體， 這些零件被封裝之后， 所溶解、 吸附的氣體會(huì)慢慢釋放出來(lái)， 放氣的速率除了與材料性質(zhì)、 制造工藝、 預(yù)處理有關(guān)外， 環(huán)境溫度是影響玻璃杜瓦真空度的主要原因[4]：

由式（2）可知， 環(huán)境溫度越高， 玻璃杜瓦內(nèi)部材料的放氣速率越大。 通過(guò)對(duì)玻璃杜瓦進(jìn)行真空、 高溫烘烤除氣后， 玻璃杜瓦表面的氣體可以脫附很多。 但由于InSb探測(cè)器本身可承受的溫度有限， 對(duì)其烘烤溫度不能過(guò)高， 導(dǎo)致玻璃杜瓦組件在常溫下有不可忽略的放氣， 這是影響玻璃杜瓦組件真空壽命的主要因素。 因此選擇貯存溫度作為應(yīng)力， 對(duì)器件進(jìn)行加速真空壽命試驗(yàn)。

1.3玻璃杜瓦真空壽命試驗(yàn)方法

真空壽命是紅外探測(cè)器可靠性的重要部分。 對(duì)于高可靠、 長(zhǎng)壽命周期的產(chǎn)品而言， 壽命試驗(yàn)所需的時(shí)間很長(zhǎng)。 這種試驗(yàn)的數(shù)據(jù)更加真實(shí)可靠， 但其成本高、 時(shí)間長(zhǎng)、 管理工作繁重。 為了縮短試驗(yàn)時(shí)間， 在不改變產(chǎn)品故障模式和失效機(jī)理的前提下， 通過(guò)加大應(yīng)力的方法來(lái)縮短試驗(yàn)時(shí)間， 并利用高應(yīng)力水平下的壽命特征去外推正常應(yīng)力水平下的壽命特征。 這一試驗(yàn)方法稱為加速壽命試驗(yàn)。 加速壽命試驗(yàn)?zāi)軌蛴行У氐目s短試驗(yàn)時(shí)間， 降低成本， 使研究長(zhǎng)壽命周期的探測(cè)器玻璃杜瓦壽命成為可能， 因而被廣泛應(yīng)用。

航空兵器2020年第27卷第2期王洋， 等： InSb多元探測(cè)器玻璃杜瓦貯存壽命研究2加速真空壽命試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1加速試驗(yàn)設(shè)計(jì)

（1） 加速壽命試驗(yàn)選用的產(chǎn)品為某型探測(cè)器玻璃杜瓦， 所有產(chǎn)品均為相同工藝、 相同材料、 不同批次的合格產(chǎn)品;

（2） 選擇貯存溫度作為加速應(yīng)力， 最高溫度不超過(guò)產(chǎn)品的失效溫度（95 ℃）， 確保器件失效機(jī)理一致， 試驗(yàn)方法為恒定應(yīng)力加速試驗(yàn)， 采用定時(shí)截尾;

（3） 以玻璃杜瓦熱負(fù)載超出100 mW[5]為失效判據(jù)。

2.2加速試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)

（1） 應(yīng)力的選取

加速應(yīng)力水平數(shù)為3個(gè)， 分別為T1=70 ℃、 T2=80 ℃、 T3=90 ℃。

（2） 樣品數(shù)量

每個(gè)溫度點(diǎn)的樣品數(shù)量為5個(gè)。

（3） 樣品檢測(cè)

樣品檢測(cè)均采用同一臺(tái)設(shè)備， 同一人操作， 相同的檢測(cè)方法， 最大程度地降低外界因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。 通過(guò)產(chǎn)品的失效規(guī)律和施加應(yīng)力大小來(lái)確定產(chǎn)品的測(cè)試周期， 在可能存在較多產(chǎn)品失效的時(shí)間段內(nèi)， 應(yīng)測(cè)得集中一些; 而在不大可能失效的時(shí)間段內(nèi)可少測(cè)幾次。 盡量避免產(chǎn)品失效過(guò)于集中在少數(shù)幾個(gè)測(cè)試周期內(nèi)。

3試驗(yàn)結(jié)果及真空壽命分析

3.1試驗(yàn)結(jié)果總體情況

加速壽命試驗(yàn)采用定時(shí)截尾， 70 ℃下貯存4 351 h， 沒(méi)有杜瓦失效; 80 ℃下貯存2 291 h， 失效率為20%; 90 ℃下貯存2 123 h， 失效率為80%。 加速壽命試驗(yàn)總體試驗(yàn)情況如表1所示。

3.2試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)處理

3.2.1真空壽命擬合

由式（2）可知， 在相同的溫度下， 放氣速率是一定的， 因此， 杜瓦出氣量與高溫貯存時(shí)間成線性關(guān)系[6]， 又因?yàn)檎婵斩扰c熱負(fù)載成線性關(guān)系， 所以熱負(fù)載與高溫貯存時(shí)間也是線性關(guān)系。 可以用最小二乘法對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行直線擬合處理， 得到熱負(fù)載為100 mW時(shí)的高溫貯存時(shí)間， 即該試驗(yàn)件的高溫貯存壽命。 考慮到測(cè)試數(shù)據(jù)時(shí)， 因?yàn)榄h(huán)境、 設(shè)備以及人為操作等的影響， 測(cè)量值有較大的波動(dòng)范圍， 因此設(shè)定閥值M， 當(dāng)實(shí)際測(cè)量值與擬合值做差大于M時(shí)， 則認(rèn)為該測(cè)量值誤差太大需舍棄。 舍棄誤差大的測(cè)量值后， 再一次對(duì)剩余的測(cè)量值重新擬合， 得到了最終的擬合關(guān)系：

對(duì)擬合關(guān)系進(jìn)行求解， 計(jì)算y=100 mW時(shí)的高溫貯存時(shí)間t， 即該器件的高溫貯存壽命， 擬合結(jié)果如表2和圖1所示。 由于探測(cè)器生產(chǎn)過(guò)程都是由人工操作， 每個(gè)器件都存在微小的差異性， 試驗(yàn)結(jié)果也不同， 故每個(gè)器件的擬合壽命也不盡相同。

4結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)玻璃杜瓦真空壽命影響因素的分析， 以溫度作為加速因子， 對(duì)玻璃杜瓦器件進(jìn)行真空加速壽命試驗(yàn)。 重點(diǎn)闡述了試驗(yàn)方法和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理， 得到玻璃杜瓦的真空壽命方程： t=2.18×10-8e0.787 47KT。 通過(guò)該方程得到玻璃杜瓦30 ℃貯存壽命達(dá)到30.76年， 完全可以達(dá)到產(chǎn)品的使用要求。

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Abstract： InSb infrared detectors are the key components of an infrared system， and the lifetime of detector determins the lifetime of a system greatly and affect the application of the system directly， so it is very important how to evaluate the detector life and what kind of test method to be used. Due to? sensitiveness of the infrared system，? few materials can be consulted， and long cycle and high cost of lifetime experiment， there is not any effective lifetime test， and analysis & evaluation method. In this paper， a storagelifetime experiment is tested with 15 InSb multielement detectors， and selected temperatures is 70? ℃， 80? ℃，and 90? ℃ respectively. The changing of thermal load is tested under different temperatures， and the testing results are statistical analyzed and processed. The accelerated lifetime model t=2.18×10-8. exp（0.79/KT） is obtained， and the activation energy is 0.79 eV. The lifetime of the detector under 30? ℃ is evaluated up to 30.76 years.

Key words： detector; InSb; lifetime test; storagelifetime; glass dewar