熊 雄，段 煜，胡明燈，李銳平，杜 宇，毛劍宏

640×512小型化紅外探測器杜瓦組件可靠性研究

熊 雄，段 煜，胡明燈，李銳平，杜 宇，毛劍宏

（浙江玨芯微電子有限公司，浙江 麗水 323000）

在SWaP3（Size, Weight, and Power, Performance and Price）概念的驅使下，第三代制冷紅外探測器向著高性能、小型化和輕量化的方向發(fā)展。作為軍用核心電子元器件，制冷紅外探測器的可靠性成為研究的重點。以浙江玨芯微電子有限公司所研制的640×512/15mm小型化杜瓦組件為研究對象，開展了系統(tǒng)性的可靠性研究與試驗，涉及到力學、熱力學、多余物和真空壽命四個維度。經(jīng)各項可靠性試驗后，640×512/15mm小型化杜瓦組件的性能保持良好，該結果表明此杜瓦組件在總體上具有較高的可靠性，能夠滿足常規(guī)軍事應用需求。

紅外探測器；杜瓦組件；小型化；可靠性

0 引言

制冷紅外探測器由于其識別能力強、抗干擾能力好以及被動探測等特性，在軍事領域有著廣泛的應用。隨著系統(tǒng)的集成化、高效化技術的突破，驅使紅外探測器向著SWaP3（Size, Weight, Power, Price, Performance）的方向發(fā)展。高性能、小型化和輕量化的實現(xiàn)，向紅外探測器的設計、工藝及制造過程引入了更具挑戰(zhàn)性的可靠性問題。除此之外，隨著人類海陸空天活動范圍的擴大，作戰(zhàn)領域日益多樣化，紅外探測器面臨的環(huán)境更加復雜多變，因此對于其可靠性的考驗將更加嚴苛。

制冷紅外探測器杜瓦組件是保證整機穩(wěn)定服役的關鍵，它不僅是芯片的光、機、電、熱通道，也是保護芯片的屏障。真空是杜瓦組件最重要的指標之一，真空失效也是杜瓦組件后期最主要的失效模式，一直以來關于杜瓦組件可靠性研究，主要集中在真空可靠性方面。法國Sofradir公司對杜瓦組件進行高溫貯存試驗，其杜瓦組件具有較好的真空可靠性，可在80℃下持續(xù)烘烤405天[1-3]；昆明物理研究所從材料放氣特性的角度出發(fā)研究杜瓦組件真空可靠性，提出了放氣量測試的方案[4]；中國電子科技集團公司第十一研究所為研究杜瓦組件的真空可靠性，確定了杜瓦組件真空失效時的極限真空度，并提出了提高其真空可靠性的措施[5]。

除了真空可靠性之外，杜瓦組件的力學可靠性和熱力學可靠性也應受到足夠的重視。力學可靠性決定了杜瓦組件在實際應用中抗振動沖擊的能力，熱力學可靠性則是判斷杜瓦組件是否具有良好的環(huán)境耐受性和抗應力應變能力的依據(jù)。關于杜瓦組件力學可靠性的研究，中國科學院上海技術物理研究所提出可采用冷指氣缸頂端輔助加固的方法對懸臂梁結構進行力學強化，還可通過減輕冷頭重量來提高組件結構的一階共振頻率，以此增強杜瓦組件的力學可靠性[6]。關于杜瓦組件熱力學可靠性研究，上海技術物理研究所提出了陶瓷基板技術，以實現(xiàn)AlN陶瓷的熱導率控制，從而改善冷頭結構的熱應力問題，提高杜瓦組件的熱力學可靠性[6]。

目前尚未見到關于小型化杜瓦組件可靠性系統(tǒng)研究與試驗的報道?；讷k芯微電子已研制的小型化中波640×512/15mm制冷紅外探測器組件（外形尺寸為119.6mm×80mm×46.5mm，重量小于350g），本文以其中尺寸為30mm×85mm，重量小于55g的小型化杜瓦組件作為研究對象，開展了系統(tǒng)性的可靠性研究與試驗，涉及到力學、熱力學、多余物和真空壽命四個維度。640×512/15mm小型化紅外探測器組件及成像效果圖在圖1中給出，其杜瓦組件外形如圖2所示。

圖1 640×512小型化紅外探測器組件(a)及成像效果圖(b)

圖2 640×512小型化紅外探測器杜瓦組件

1 力學可靠性研究與試驗

杜瓦組件是由數(shù)十個不同材料的零部件集成在一起的微系統(tǒng)，零部件之間的力學相互作用方式和各自的固有頻率都影響杜瓦組件的力學可靠性。從整體結構對640×512小型化杜瓦組件進行理論計算和仿真分析，以仿真結果作為指導，不斷優(yōu)化設計與工藝來提升力學可靠性，例如優(yōu)化材料選擇、加固結構、優(yōu)化焊接工藝、加固鍵合引線等。圖3為小型化杜瓦組件的固有頻率仿真模擬圖，從仿真結果中可知，理論上該型號杜瓦組件的一階共振頻率超過2000Hz。

圖3 640×512小型化杜瓦組件固有頻率仿真圖

小型化杜瓦組件包含多條不同材料、結構、焊接方式的氣密性焊縫，從連接接頭的微觀結構分析入手，來確定杜瓦組件結構件的力學可靠性。通過對該小型化杜瓦組件的界面焊縫進行微觀結構分析，從表征結果來看，所有焊接接頭的界面焊縫及附近區(qū)域無明顯缺陷，焊縫兩側的材料已經(jīng)完全熔為一體，證明杜瓦連接件之間已形成了良好的冶金結合。

杜瓦組件力學可靠性試驗的主要目的是判定其耐受振動沖擊的能力，因為制冷紅外探測器在運輸和服役過程中最常面臨的是振動沖擊工況，相應開展的力學試驗主要包括固有頻率測試、連接強度試驗和振動沖擊試驗。

經(jīng)固有頻率測試，該杜瓦組件的一階固有頻率達到2300Hz。經(jīng)連接強度試驗，杜瓦組件焊接界面具有與接頭材料相當?shù)牧W強度。經(jīng)振動沖擊試驗（試驗參數(shù)如圖4、圖5所示），杜瓦組件所能耐受的振動量級達到12.2，沖擊量級達到100。以上試驗結果表明通過杜瓦組件力學可靠性的研究與優(yōu)化，640×512小型化紅外探測器杜瓦組件的力學性能已達到了較高水準，足以勝任絕大多數(shù)應用需求。

2 熱力學可靠性研究與試驗

2.1 杜瓦組件環(huán)境溫度適應性

在制冷紅外探測器實際工作過程中，杜瓦組件作為保護芯片的屏障，必須擁有優(yōu)秀的環(huán)境溫度適應性。為增強杜瓦組件的環(huán)境溫度適應性，從連接件結構入手，設計了更易于焊接的結構和配套的精密工裝，并優(yōu)化了相關制造工藝。

圖4 隨機振動試驗參數(shù)

圖5 沖擊試驗參數(shù)

為了對杜瓦組件的環(huán)境溫度適應性進行驗證和篩選，采用了全面高于《GJB 8674-2015》[7]中有關溫度沖擊試驗的標準，采用“兩箱式”溫度沖擊試驗箱進行試驗，試驗參數(shù)設定為：低溫－55℃，高溫85℃，極限溫度下保溫2h，溫度轉換時間＜10s。

經(jīng)500次溫度沖擊循環(huán)后，杜瓦組件的力學結構和真空結構保持完好。結果表明640×512小型化紅外探測器杜瓦組件具有良好的環(huán)境溫度適應性，能夠適應從－55℃到85℃的環(huán)境溫度劇變。

2.2 杜瓦組件冷頭抗溫變性

由于制冷紅外探測器芯片需要在極低的溫度下工作，因此在探測器開關機的過程中，杜瓦組件冷頭不斷經(jīng)歷著常溫-低溫-常溫的溫度沖擊循環(huán)。由于杜瓦組件冷頭結構復雜，材料間的物理性質(zhì)差異大，在溫度沖擊的過程中各零件的熱脹冷縮形變量差異將引起較大的熱應力，導致冷頭結構產(chǎn)生微形變，嚴重時會直接引起結構失效，因此對杜瓦組件冷頭抗溫變性能的研究和試驗都十分有必要。采用Ansys軟件對冷頭結構的熱應力、形變等進行分析，優(yōu)化冷頭疊層結構，優(yōu)選各零件的材料，控制芯片裝載面的溫度均勻性。其中，重點通過不斷優(yōu)化改進冷臺、應力平衡層和基板的材料和結構，來提升杜瓦組件冷頭抗溫變性能。

以法國Sofradir公司所生產(chǎn)的Leo系列探測器的降溫速率作為參考載荷（工作溫度為77K），在快速降溫的情況下，對小型化杜瓦冷頭熱應力分布情況進行仿真分析，結果如圖6所示。從圖中可看出，在FPA（Focal Plane Array）上的熱應力分布均勻，仿真結果表明杜瓦冷頭經(jīng)優(yōu)化后的結構克服了降溫過程中FPA熱應力集中的問題，能有效保障芯片的可靠性。圖7為杜瓦組件冷頭形變圖，從圖中可知在快速降溫時，此結構的整體形變差小于8mm，其中FPA上的形變差約1mm。

圖6 經(jīng)優(yōu)化后的杜瓦組件冷頭應力分布圖

圖7 經(jīng)優(yōu)化后的杜瓦組件冷頭形變圖

為進一步確認FPA的情況，結合實際工況進行仿真分析。當邊界條件確定時，F(xiàn)PA的溫度場分布如圖8所示，可看出當FPA溫度降至77K左右時，該結構裝載面溫度場分布均勻，F(xiàn)PA上的溫度均勻性接近0.15K。

以上仿真結果表明該杜瓦組件冷頭結構表現(xiàn)出較好的抗溫變性能，能夠保證FPA在快速降溫的情況下正常工作。以仿真結果作為設計基礎，結合實際服役條件，對640×512小型化紅外探測器杜瓦組件冷頭進行了抗溫變性能試驗，試驗內(nèi)容包括液氮沖擊試驗和開關機試驗。每組樣品數(shù)為6個，每個樣品累積進行3000次液氮沖擊和2000次開關機試驗后，對其進行性能測試。

圖8 經(jīng)優(yōu)化后的杜瓦組件FPA溫場分布圖

經(jīng)3組樣品測試后，探測器性能未見明顯變化，盲元率、響應率非均勻性和NETD等關鍵性能指標均保持在與之前幾乎一致的水平，其中某杜瓦組件樣品試驗前后芯片關鍵性能在表1中列出，圖9為該樣品抗溫變性能試驗前的芯片盲元分布情況（圖9(a)）及試驗后的分布情況（圖9(b)），從圖中可看出試驗后的盲元分布情況幾乎與試驗前一致，未出現(xiàn)盲元大幅增加的情況。

表1 640×512小型化杜瓦組件試驗前后芯片關鍵性能比較

通過對小型化杜瓦組件冷頭的熱力學仿真分析和工程實踐優(yōu)化，經(jīng)液氮沖擊和開關機試驗后，探測器的盲元率、響應率非均勻性和NETD等關鍵指標未出現(xiàn)明顯衰減，結果表明640×512小型化紅外探測器杜瓦組件冷頭具有較好的抗溫變性能。

3 多余物控制研究

多余物是杜瓦組件工程化實踐中無法回避的可靠性問題，其主要來源有兩個：一是封裝工藝過程中引入的污染物；二是杜瓦組件經(jīng)受振動或沖擊的過程中，內(nèi)部原本的不可動部分脫落，成為多余物。若多余物進入冷屏結構或成像視場中，有可能發(fā)生衍射，從而影響到焦平面局部光場分布，導致探測器成像異常，出現(xiàn)“黑斑”或“泊松亮斑”，這些異常會顯著降低探測器的識別能力[8]。因此對杜瓦組件內(nèi)部多余物的控制與試驗驗證都十分有必要。

根據(jù)生產(chǎn)實踐經(jīng)驗并結合SEM能譜等分析手段，紅外探測器杜瓦組件內(nèi)的多余物可能會以焊接熔渣、吸氣劑粉末和棉纖維等形式出現(xiàn)。針對多余物問題，在該小型化杜瓦組件研制過程中，從杜瓦組件內(nèi)部結構改良、封裝材料篩選和工藝過程優(yōu)化等方面采取了一系列措施進行多余物控制。

圖9 640×512小型化杜瓦組件抗溫變性能試驗前(a)和試驗后芯片盲元分布情況(b)

為驗證實際效果，以6個探測器為一組，以隨機振動試驗標準進行探測器振動成像試驗。經(jīng)試驗后，所有成像過程的圖像中均未見多余物。該結果表明640×512小型化紅外探測器杜瓦組件在多余物控制方面取得了一定成效。

4 真空可靠性研究與試驗

杜瓦組件的真空可靠性一直是研究的重點，真空的好壞不僅影響到探測器的性能，還決定其使用壽命。根據(jù)理論分析和實際生產(chǎn)經(jīng)驗，真空可靠性主要由杜瓦組件的整體漏率和材料放氣決定。

由于在杜瓦組件結構設計、焊接工藝、高靈敏度氣體檢漏等方面所取得的進展，杜瓦組件可滿足整體漏率≤1×10－13Pa·m3/s，因此杜瓦組件漏率已不再成為限制真空可靠性的主要因素?？紤]到材料放氣因素，通常采用阿倫尼烏斯模型進行分析。阿倫尼烏斯模型是以溫度作為加速應力，被廣泛應用于電子元器件的加速壽命模型，其數(shù)學表達式為[9]：

以80℃作為試驗溫度，對小型化杜瓦組件進行加速壽命試驗，以同批次6個樣品為一組，同時進行多組試驗。圖10中給出了其中一組樣品的試驗結果，從圖中可看出，在經(jīng)歷4000h的高溫烘烤后，杜瓦組件的靜態(tài)熱負載仍保持在較穩(wěn)定的狀態(tài)。

目前通過加速壽命試驗結果評價杜瓦貯存壽命的計算方法主要有兩種：一種是法國Sofradir公司提出的，僅考慮放氣因素的情況下，試驗溫度每升高10℃，壽命減半[1]。Sofradir公司在文中提到，將杜瓦組件置于80℃溫度下保持405天未失效，即可等效于在40℃溫度下?lián)碛?8年的真空壽命。這種方法由于計算簡便，在行業(yè)內(nèi)得到了廣泛的應用：昆明物理研究所采用這種方法研究了杜瓦組件真空壽命，認為溫度對真空壽命的加速作用可通過對材料出氣率的加速作用來間接反映[10-11]；洛陽光電技術發(fā)展中心在研究杜瓦組件的真空壽命時也引用了這種方法[12]?？湛諏椦芯吭篬13]和華北光電研究所[14]等單位采用第二種方法，即在不同溫度下進行試驗，結合阿倫尼烏斯方程和Weibull壽命分布模型對杜瓦組件壽命進行概率學分析，最終得到一定置信度下的預測壽命。

以Sofradir公司所采用的壽命加速因子，計算出640×512小型化紅外探測器杜瓦組件在20℃環(huán)境下的貯存壽命＞30年，具有良好的真空可靠性。該結果表明通過采用超潔凈環(huán)境控制、超高真空表面處理、杜瓦排氣及激活程序優(yōu)化等手段，小型化杜瓦組件的真空可靠性達到了令人滿意的效果。

圖10 加速壽命試驗中杜瓦組件靜態(tài)熱負載波動情況

5 結論

隨著制冷紅外探測器產(chǎn)品應用場景的不斷擴展，其可靠性面臨著更加嚴苛的考驗。評價紅外探測器杜瓦組件的可靠性，已不能單單從某一個方面考慮，多維度、系統(tǒng)性的可靠性研究顯得尤為重要。本文以玨芯微電子所研制的640×512小型化紅外探測器杜瓦組件為研究對象，開展了全面的系統(tǒng)性可靠性研究工作，包含力學、熱力學、多余物和真空壽命等四個維度。獲得了以下結論：

1）640×512小型化杜瓦組件具有相當高的力學強度，杜瓦整體能經(jīng)受12.2振動量級和100沖擊量級；

2）小型化杜瓦具有經(jīng)受溫度從－55℃～85℃劇變的能力，經(jīng)3000次液氮沖擊和2000次開關機試驗后，杜瓦組件內(nèi)部芯片依然表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能；

3）經(jīng)多余物工藝控制和帶電振動試驗，試驗樣品中未出現(xiàn)明顯多余物；

4）小型化紅外探測器杜瓦組件經(jīng)80℃/4000h烘烤試驗后，依然保持穩(wěn)定的靜態(tài)熱負載，在室溫下?lián)碛谐^30年的貯存壽命。

6 展望

隨著各種軍事需求對制冷紅外探測器智能化、小型化和輕量化的迫切要求，杜瓦組件的設計、工藝和材料選擇都必須持續(xù)優(yōu)化，其可靠性也將面臨更多考驗?？煽啃匝芯抗ぷ魇且豁棾志霉こ蹋枰罅康墓こ虜?shù)據(jù)和經(jīng)驗積累，國內(nèi)制冷紅外探測器的相關技術積累與產(chǎn)業(yè)化水平與歐美發(fā)達國家相比還存在一定差距，本文對640×512小型化紅外探測器杜瓦組件的可靠性進行了多個維度的分析與評價，但在實際研發(fā)、生產(chǎn)和測試等方面仍有一些地方可以得到優(yōu)化：

1）通過檢測設備和方法升級，實現(xiàn)高一致性質(zhì)量控制；

2）建立系統(tǒng)性的可靠性分析及試驗平臺；

3）不斷從設計迭代和工藝優(yōu)化來實現(xiàn)可靠性增長技術；

4）除了保證紅外探測器杜瓦組件的可靠性之外，小型化杜瓦組件在兼容性方面也需作出一定的突破，本文640×512/15mm小型化紅外探測器杜瓦組件還可兼容封裝面陣規(guī)模為320×256/30mm的芯片，并可根據(jù)應用需求定制不同規(guī)格的F數(shù)。

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Reliability Research for 640×512 Miniaturized IR Detector Dewar Assembly

XIONG Xiong，DUAN Yu，HU Mingdeng，LI Ruiping，DU Yu，MAO Jianhong

(Zhejiang Juexin Microelectronics Co., Ltd., Lishui 323000, China)

Driven by the concept of SWaP3(Size, Weight, and Power, Performance and Price), the development of the third-generation cooled IR detectors is proceeding in the direction of high performance, miniaturization, and light weight. As core military electronic devices, the reliability of IR detectors has become the focus of research. In this study, based on the 640×512/15mm miniaturized dewar developed by Zhejiang Juexin Microelectronics Co., Ltd., a systematic reliability research is carried out. This research involves four dimensions, namely mechanics, thermodynamics, remainders, and vacuum. The performance of the 640×512/15mm miniaturized dewar is evaluated through reliability tests. The results show that the miniaturized dewar has high reliability to satisfy most military needs.

infrared detector, dewar assembly, miniaturize, reliability

TN215

A

1001-8891(2022)01-0089-07

2021-10-11；

2021-11-11.

熊雄（1986-），男，湖南長沙人，工程師，主要從事紅外探測器封裝技術研究。E-mail：xiongxiong0423@163.com。