呂瑋東，鄧旭光，王乾威，練敏隆，張九雙，陳 明，顧德宇，田大成

〈綜述與評(píng)論〉

空間用紅外探測(cè)器拼接技術(shù)研究

呂瑋東1，鄧旭光1，王乾威2，練敏隆1，張九雙1，陳 明2，顧德宇1，田大成1

（1. 北京空間機(jī)電研究所，北京 100081；2. 32011部隊(duì)，北京 100081）

隨著空間遙感相機(jī)性能的不斷提升，采用更大規(guī)模、更多譜段的紅外焦平面陣列是未來(lái)航天用紅外探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)，以滿足相機(jī)大視場(chǎng)、高分辨率及多光譜探測(cè)的能力。目前，單探測(cè)器模塊的研制受到探測(cè)器材料、硅讀出電路加工工藝的限制，探測(cè)器規(guī)模、分辨率、譜段數(shù)量等指標(biāo)無(wú)法滿足使用要求。因此，通過(guò)機(jī)械拼接或光學(xué)拼接的方式制備大規(guī)模、多譜段紅外焦平面陣列是必須的工程途經(jīng)。本文對(duì)航天工程用大規(guī)模、多譜段紅外探測(cè)器拼接方式進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了各種常見(jiàn)拼接方式的特點(diǎn)，總結(jié)了關(guān)鍵技術(shù)和核心指標(biāo)。

大規(guī)模紅外探測(cè)器；拼接技術(shù)；多光譜；讀出電路

0 引言

在天基對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域，相對(duì)紫外和可見(jiàn)光遙感，紅外遙感具有如下優(yōu)勢(shì)：①紅外遙感比可見(jiàn)光有更好的天候性能，不分白天黑夜均能使用，適合夜間偵察需求；②紅外遙感可利用目標(biāo)和背景紅外輻射特性的差異進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別、揭示偽裝；③紅外譜段可以穿透云煙，探測(cè)到可見(jiàn)光無(wú)法探測(cè)的景物；④隱蔽性好，不易被發(fā)現(xiàn)和干擾。因此，紅外光學(xué)遙感在軍事、氣象、水文、地質(zhì)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)和林業(yè)等方面都有可見(jiàn)光遙感無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[1]。隨著航天光學(xué)遙感平臺(tái)技術(shù)的快速發(fā)展，航天應(yīng)用對(duì)大視場(chǎng)、高分辨率、多譜段探測(cè)的需求日趨增加，這就要求航天用紅外探測(cè)器是超大規(guī)模面陣或超長(zhǎng)線列探測(cè)器組件。受到探測(cè)器材料、加工工藝等因素的限制，現(xiàn)有單片面陣或線列探測(cè)器的規(guī)模不能滿足航天工程某些場(chǎng)景的應(yīng)用需求。所以需要通過(guò)光學(xué)拼接方法、機(jī)械拼接方法，或者光學(xué)拼接及機(jī)械拼接兩者相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)空間相機(jī)大視場(chǎng)、高分辨率、多譜段探測(cè)能力。

本文闡述了空間用紅外探測(cè)器機(jī)械拼接技術(shù)相對(duì)于光學(xué)拼接技術(shù)途徑的優(yōu)點(diǎn)，列舉了國(guó)內(nèi)外機(jī)械拼接技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了機(jī)械拼接技術(shù)的多種工程方式，總結(jié)了關(guān)鍵技術(shù)。希望對(duì)后續(xù)空間用紅外探測(cè)器拼接技術(shù)發(fā)展起到一定的促進(jìn)作用。

1 拼接技術(shù)途徑對(duì)比

1.1 機(jī)械拼接與光學(xué)拼接技術(shù)途徑

機(jī)械拼接又稱焦面級(jí)拼接，是指在像面上將多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單模塊焦面通過(guò)技術(shù)手段拼接形成超長(zhǎng)線列或超大面陣焦平面，并封裝在一個(gè)真空封裝中，形成一個(gè)完整的焦平面組件。如圖1所示，5片1024×6單模塊按照功能要求在拼接襯底上拼接完成后，封裝在真空冷箱中，形成5120×6超長(zhǎng)線列焦平面組件。光學(xué)拼接又稱視場(chǎng)拼接，是指通過(guò)光學(xué)的方法將相機(jī)鏡頭全視場(chǎng)分割到不同空間位置，用多套焦平面組件接收，再將收到的圖像進(jìn)行拼接就可以得到大視場(chǎng)的圖像。其典型原理如圖2所示[2]。以3套1024×6長(zhǎng)波紅外探測(cè)器組件采用光學(xué)拼接實(shí)現(xiàn)等效3000×6紅外探測(cè)器組件為例，整個(gè)系統(tǒng)分別由像方遠(yuǎn)心形式的主光學(xué)系統(tǒng)、視場(chǎng)分割裝置、3套中繼光學(xué)系統(tǒng)以及3套線陣紅外探測(cè)器組件4部分組成。

1.2 機(jī)械拼接與光學(xué)拼接特點(diǎn)對(duì)比

光學(xué)拼接和機(jī)械拼接特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

圖1 紅外探測(cè)器組件機(jī)械拼接原理

圖2 紅外探測(cè)器組件光學(xué)拼接原理圖[2]

Fig.2 Optical splicing schematic diagram of infrared detector assembly[2]

表1 兩種拼接特點(diǎn)對(duì)比

通過(guò)以上對(duì)比可以看出，機(jī)械拼接相比光學(xué)拼接優(yōu)勢(shì)明顯，主要表現(xiàn)在：①系統(tǒng)上更為簡(jiǎn)單；②對(duì)主光學(xué)系統(tǒng)無(wú)特殊要求；③噪聲等效溫差更低；④響應(yīng)一致性更高；⑤像面拼接精度高；⑥調(diào)焦機(jī)構(gòu)少。因此機(jī)械拼接是制備大面陣、長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器的有效技術(shù)途徑。但是機(jī)械拼接方法沒(méi)法克服探測(cè)器的拼縫，在對(duì)視場(chǎng)內(nèi)拼縫敏感的領(lǐng)域，如天基預(yù)警等，采用機(jī)械拼接和光學(xué)拼接相融合的方式是必要的。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

1）單譜段大規(guī)模探測(cè)器研究現(xiàn)狀

Raytheon公司使用ORION 2k×2k InSb 1～2.5mm探測(cè)器拼接成NOAO 4k×4k大面陣探測(cè)器，安裝于Kitt Peak和Cerro Tololo 4m天文望遠(yuǎn)鏡上，如圖3(a)所示[3]。通過(guò)緊密拼接技術(shù)，Raytheon公司已經(jīng)采用碲鎘汞材料完成了4×4個(gè)2k×2k像元探測(cè)器拼接組件的研制，用于VISTA望遠(yuǎn)鏡。該望遠(yuǎn)鏡具有4個(gè)波段，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)南半球整個(gè)天空的觀察[4]。該探測(cè)器組件實(shí)物如圖3(b)所示[5]。此外，Raytheon公司使用Aladdin II型和III型InSb材料、截止波長(zhǎng)為5.2mm的1024×1024探測(cè)器，直線拼接成1024×4096焦平面陣列，實(shí)際使用其中的512×4096部分。該探測(cè)器用于超大型望遠(yuǎn)鏡上的高分辨率紅外中階梯光譜儀，如圖3(c)所示[6]。WFIRST衛(wèi)星的WFI載荷使用18片4k×4k短中波紅外探測(cè)器進(jìn)行3×6拼接，采用單模塊封裝體機(jī)械拼接方式，該探測(cè)器也是Raytheon公司研制的。

Rockwell公司使用4片2k×2k HgCdTe Hawaii-2RG 0.95～2.5mm探測(cè)器單模塊進(jìn)行2×2拼接，制成4k×4k大面陣探測(cè)器。該探測(cè)器用于詹姆斯韋伯望遠(yuǎn)鏡（JWST）項(xiàng)目[7]。

目前世界上最大的焦平面陣列是Teledyne Imaging Sensor公司的147百萬(wàn)像素的探測(cè)器，如圖4所示。該探測(cè)器組件由35個(gè)2k×2k碲鎘汞紅外探測(cè)器拼接而成[8]。此外，Euclid衛(wèi)星NISP載荷使用Teledyne的16片2k×2k短中波紅外探測(cè)器進(jìn)行4×4拼接，采用封裝模塊機(jī)械拼接的方式。

圖3 Raytheon公司探測(cè)器產(chǎn)品[3-6]

如圖5所示，英國(guó)Selex公司使用8個(gè)FALCON HD1920×1080中波陣列拼接形成大面陣器件。該探測(cè)器陣列拼接形式為4×2[9]。

以色列SCD公司采用4片520×16 InSb探測(cè)器芯片模塊拼接成2048×16探測(cè)器。采用交錯(cuò)排列，掃描方向重疊32個(gè)像元，拼接工藝采用的是In柱互聯(lián)工藝，相鄰的兩片F(xiàn)PA旋轉(zhuǎn)180°后拼接在襯底上[10]。其襯底為高溫共燒工藝完成。拼接襯底的溫度均勻性優(yōu)于1℃。SCD公司研究出一種保證拼接精度的工藝，在In互聯(lián)設(shè)備上加工一個(gè)高表面質(zhì)量的具有特殊對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的工裝夾具，然后將工裝夾具上的標(biāo)識(shí)與拼接襯底的標(biāo)識(shí)對(duì)準(zhǔn)，拼接精度在幾個(gè)微米，平行度偏差2mm[11]。該公司的2048×16探測(cè)器拼接結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6[10]。

法國(guó)Sofradir公司為“太陽(yáng)神2A”軍事觀測(cè)衛(wèi)星生產(chǎn)了碲鎘汞1500×1拼接探測(cè)器。這種1500元的紅外探測(cè)器由5片300元的線陣紅外探測(cè)器和5片讀出電路共同互連到母板上而成。由于采用的是倒裝定位工藝，因此拼接精度能保證在1mm。這種拼接方案的技術(shù)基于其無(wú)損傷劃片技術(shù)，因此能保證相鄰兩片探測(cè)器首尾無(wú)盲元[12]。圖7為該1500×1探測(cè)器拼接結(jié)構(gòu)[12]。

2）多譜段大規(guī)模紅外探測(cè)器研究現(xiàn)狀

美國(guó)MTI熱成像儀的焦平面組件包括從可見(jiàn)到長(zhǎng)波紅外共15譜段[13]。整個(gè)焦面組件由3片覆蓋可見(jiàn)到長(zhǎng)波紅外的多譜段集成焦面模塊通過(guò)機(jī)械拼接而成?？梢?jiàn)光譜段采用硅材料單片集成式探測(cè)器。短波與中波譜段（E-K及O）使用InSb材料探測(cè)器，通過(guò)銦柱與讀出電路互連，形成一個(gè)子模塊。長(zhǎng)波譜段（L-N）使用HgCdTe材料，形成一個(gè)單獨(dú)子模塊，由濾光片實(shí)現(xiàn)每個(gè)譜段的細(xì)分。長(zhǎng)波、短中波、可見(jiàn)近紅外多光譜3個(gè)子模塊拼接在一起，形成一個(gè)覆蓋可見(jiàn)到長(zhǎng)波紅外的探測(cè)器模塊，如圖8所示[13]。

圖4 Teledyne公司35個(gè)2k×2k碲鎘汞拼接陣列[8]

圖5 Selex公司8個(gè)HD1920×1080拼接陣列[9]

圖6 2048×16探測(cè)器拼接結(jié)構(gòu)[10]

圖7 1500×1探測(cè)器拼接結(jié)構(gòu)[12]

圖8 MTI焦平面組件結(jié)構(gòu)[13]

法國(guó)Sofradir公司的新一代拼接技術(shù)采用In柱互聯(lián)工藝將5片MCT探測(cè)器芯片和10片讀出電路連接到一片寶石連接襯底上，完成1500×2雙色探測(cè)器芯片的拼接[14]，圖9為1500×2探測(cè)器拼接結(jié)構(gòu)。

2.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)開(kāi)展大規(guī)模紅外焦平面拼接與耦合技術(shù)研究較晚，主要單位有兩家，分別是中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十一研究所（后文簡(jiǎn)稱十一所）與中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所（后文簡(jiǎn)稱技物所）。十一所已經(jīng)開(kāi)展了短波512×12×7探測(cè)器組件的拼接和長(zhǎng)波5000×6的研制，如圖10所示，以及以高分5號(hào)衛(wèi)星用短中波3000×3×2、1500×3×2拼接探測(cè)器組件的研制[15]。技物所完成了2048×1探測(cè)器的拼接，如圖11所示[16]。

圖9 1500×2探測(cè)器拼接結(jié)構(gòu)[14]

(a) 512×12×7短波探測(cè)器拼接結(jié)構(gòu)(a) 512×12×7shortwave detector butted structure(b) 長(zhǎng)波5000×6探測(cè)器拼接結(jié)構(gòu)(b) 5000×6longwave detector butted structure

圖11 2048×1探測(cè)器拼接結(jié)構(gòu)[16]

3 拼接方式及特點(diǎn)分析

根據(jù)探測(cè)器模塊封裝形式和程度可以將拼接方式分為模塊化拼接和共基板拼接。其主要的區(qū)別在于模塊化拼接的探測(cè)器模塊熱、電接口通常是獨(dú)立的，而共基板拼接探測(cè)器模塊的熱、電接口一般在基板上。

3.1 模塊化拼接

如圖12所示，用于拼接的探測(cè)器模塊包括光敏面與讀出電路、基座、母板與引出線纜，每個(gè)模塊能夠獨(dú)立工作，互不影響。圖13為美國(guó)Raytheon公司生產(chǎn)的探測(cè)器模塊化產(chǎn)品[17]。此種模塊常用于超大面陣探測(cè)器的拼接，主要原因在于面陣探測(cè)器多用于凝視成像，中間拼縫要求盡量小，這種方式可以省去用于夾持的工藝邊界，從而減小拼縫的距離。如圖3(a)所示，拼接完成后的4k×4k探測(cè)器有效像素區(qū)的最小距離為1.5mm。

圖12 模塊化封裝探測(cè)器模塊示意圖

圖13 Raytheon公司ORION 2048×2048 InSb探測(cè)器[17]

同時(shí)，通過(guò)對(duì)各個(gè)光敏面鍍不同膜系、或者使用響應(yīng)不同波段的光敏面可以實(shí)現(xiàn)多譜段探測(cè)，如圖5所示的Selex公司2×2拼接探測(cè)器，其4個(gè)器件可鍍4種不同的增透膜。通過(guò)對(duì)模塊邊界設(shè)計(jì)的優(yōu)化，可以形成三邊與四邊都能用于拼接的結(jié)構(gòu)，如圖14所示[9]。

3.2 共基板拼接

共基板拼接的典型實(shí)現(xiàn)形式如圖15[18]與圖16所示。對(duì)于這種設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)都包括讀出電路、光敏陣列、拼接基板3種結(jié)構(gòu)件。兩者的區(qū)別在于圖15中結(jié)構(gòu)讀出電路與光敏陣列都互連到拼接基板，基板本身除了做支撐外，還要具有連線的功能。而圖16中光敏陣列與讀出電路互連后貼裝到拼接基板上，基板只作為支撐使用，沒(méi)有連線功能[18]。

圖15 公共基板作為引線與支撐[18]

圖16 公共基板僅作為支撐[18]

使用圖15拼接方式的有法國(guó)早期中波1500×2產(chǎn)品，法國(guó)Sofradir新一代拼接技術(shù)采用In柱互聯(lián)工藝將5片MCT探測(cè)器芯片和10片讀出電路連接到一片寶石連接襯底上，完成1500×2雙色探測(cè)器芯片的拼接，由于采用的是倒裝定位工藝，因此拼接精度能保證在1mm，這種拼接方案的技術(shù)基于其無(wú)損傷劃片技術(shù)，才能保證相鄰兩片探測(cè)器首尾無(wú)盲元。中國(guó)電科十一所的短波512×12×7探測(cè)器組件采用了圖16的拼接方式。

3.3 本章小結(jié)

獨(dú)立封裝模塊拼接和共基板拼接兩種方式各有優(yōu)劣。采用模塊化封裝模塊進(jìn)行拼接可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模探測(cè)器陣列，并且探測(cè)器陣列各單模塊可獨(dú)立替換。但是其缺點(diǎn)是封裝模塊的設(shè)計(jì)、工藝相對(duì)復(fù)雜。且單模塊結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積增大、柔帶數(shù)量增加等會(huì)導(dǎo)致組件重量、功耗上升、可靠性降低。共基板拼接的方法拼接精度較高，且探測(cè)器陣列封裝尺寸小。但是這種方法拼接的探測(cè)器陣列，每個(gè)探測(cè)器芯片或者單模塊的可互換性差，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模探測(cè)器拼接。

模塊化封裝模塊常用于超長(zhǎng)線列探測(cè)器的拼接。主要原因在于線列探測(cè)器多用于掃描成像，光敏陣列在掃描方向規(guī)模較小，而在垂直掃描方向規(guī)模較大，只要保證在掃描方向不漏掃即可滿足要求。因此通常將探測(cè)器拼接成“品”字結(jié)構(gòu)，在每個(gè)探測(cè)器垂直掃描方向的邊緣互相交疊部分像元，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫掃描。而每相鄰兩片探測(cè)器在掃描方向的距離，可以通過(guò)幾何校正進(jìn)行補(bǔ)償。另外，對(duì)于超大規(guī)模面陣探測(cè)器，如5×5甚至更大規(guī)模的焦平面陣列一般也采用模塊化模塊進(jìn)行拼接。其主要優(yōu)勢(shì)在于探測(cè)器單模塊的可替換性好，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)，能夠更容易實(shí)現(xiàn)工作溫度下的結(jié)構(gòu)熱卸載或熱適配，并且探測(cè)器陣列組件的可維修性好。

4 關(guān)鍵技術(shù)

探測(cè)器拼接過(guò)程可概括為探測(cè)器模塊設(shè)計(jì)、拼接方式確定、探測(cè)器拼接實(shí)現(xiàn)3個(gè)環(huán)節(jié)。對(duì)于探測(cè)器模塊，讀出電路設(shè)計(jì)是影響拼接質(zhì)量的主要方面。拼接方式已在第3章中進(jìn)行了介紹。探測(cè)器拼接實(shí)現(xiàn)是指在探測(cè)器拼接生產(chǎn)環(huán)節(jié)，保證拼接質(zhì)量的方法和技術(shù)。

4.1 讀出電路技術(shù)

國(guó)際上主流的紅外焦平面探測(cè)器均采用了光敏陣列與硅讀出電路芯片倒裝互連的方式制備，如圖17所示，讀出電路除了要保證基本的電學(xué)性能與熱匹配外，還要考慮拼接的需求。讀出電路上的標(biāo)記起到了將光敏陣列位置傳遞與模塊相互定位的作用，讀出電路的引線方式與四周工藝邊界的大小決定了拼縫的大小，分別介紹如下。

圖17 紅外探測(cè)器結(jié)構(gòu)

首先是定位精度，定位精度包括光敏陣列傳遞到讀出電路的定位精度和模塊與模塊間的定位精度。光敏陣列傳遞到讀出電路的定位精度決定了實(shí)際光敏元的位置，這主要是由于光敏陣列的定位標(biāo)記在倒裝互連后無(wú)法觀測(cè)，需要依靠與讀出電路相應(yīng)定位標(biāo)記的關(guān)系進(jìn)行推算；模塊與模塊間的定位精度決定了拼接后組件模塊之間的距離、平行度等參數(shù)，如圖18所示。目前航天工程用紅外探測(cè)器的光敏陣列和讀出電路的定位精度很高，一般優(yōu)于5mm。而模塊間的定位精度取決于拼接設(shè)備和拼接標(biāo)識(shí)的精度，在4.3節(jié)中進(jìn)行討論。

圖18 模塊間的位置關(guān)系示意圖

其次是引線方式與邊界，面陣拼接時(shí)需要拼縫盡量小，兩邊、三邊及四邊用于拼接結(jié)構(gòu)示意圖如圖19，兩邊結(jié)構(gòu)局限性在于只能拼接成2×2面陣，因此讀出電路可以在相臨邊進(jìn)行引線，別外兩邊減小突出光敏面外的邊界，以減小拼縫，三邊結(jié)構(gòu)相對(duì)于兩邊結(jié)構(gòu)有所改進(jìn)，可以形成2×面陣[19]。因此讀出電路只能在單邊引線，別外三邊減小突出光敏面外的邊界，而四邊結(jié)構(gòu)擴(kuò)展性最好，可以形成×的大面陣，因此對(duì)讀出電路要求最高，四邊都不能用于引線，需要使用3D引線技術(shù)。而在線列拼接時(shí)，只要保證一面的位置關(guān)系，如圖20所示，另外3個(gè)邊界沒(méi)有特殊要求，因此對(duì)讀出電路的要求相對(duì)寬松。

4.2 模塊化封裝與共基板技術(shù)

在面陣拼接時(shí)，每個(gè)模塊都有模塊化封裝，包括光敏面與讀出電路、基座、基板與引出線纜，如圖21所示，基板通常采用多層陶瓷或者寶石結(jié)構(gòu)，為光敏面和基座之間提供熱匹配，為讀出電路和引出電纜之間提供電學(xué)過(guò)渡，同時(shí)表面可以貼裝加熱器、溫度傳感器、電阻和電容?；ǔＪ褂玫团蛎浵禂?shù)的因瓦合金。這種結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成便于集成的“即插即用”式操作，結(jié)構(gòu)有3個(gè)簡(jiǎn)單接口：機(jī)械接口通過(guò)基座的精度保證、與向的精度；電學(xué)接口通過(guò)柔帶與外部接插件相連；熱接口使用冷鏈與基座下部相連[20]。

圖19 面陣兩邊、三邊及四邊用于拼接結(jié)構(gòu)示意圖[19]

圖20 線列拼接重要邊界示意圖

圖21 模塊化封裝組成示意圖[20]

在線列拼接時(shí)，通常使用光敏面與讀出電路總成作為單模塊，不再進(jìn)行模塊化封裝。將多片單模塊在公共基板上進(jìn)行拼接，拼接工藝的拼接精度關(guān)鍵在拼接設(shè)備的放片精度和拼接襯底定位標(biāo)識(shí)的加工精度以及讀出電路上定位標(biāo)識(shí)的邊緣分辨率。在拼接設(shè)備精度保證的前提條件下，讀出電路上的定位標(biāo)識(shí)為標(biāo)準(zhǔn)工藝制備，精度能夠保證，因此拼接襯底基板的定位標(biāo)識(shí)精度就成為了對(duì)準(zhǔn)精度的關(guān)鍵。公共基板平整度、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要求很高，同時(shí)還要考慮拼接基板與子模塊和冷板之間的熱膨脹系數(shù)的影響，選擇適應(yīng)的材料保證制冷效果。此外，需要考慮組件在工作溫度下的熱變形與常溫拼接時(shí)的位置的變化，避免出現(xiàn)錯(cuò)行誤差[21]。因此采用精密控溫技術(shù)進(jìn)行拼接組件的熱設(shè)計(jì)是十分必要的[22]。

讀出電路設(shè)計(jì)和封裝形式選擇是決定機(jī)械拼接時(shí)相鄰探測(cè)器像元距離（拼縫）大小的核心因素。紅外焦平面陣列機(jī)械拼接的拼縫通常在1.5～5.5mm之間。讀出電路與光敏陣列的尺寸差距越小、定位精度越高，探測(cè)器模塊封裝尺寸越小，則探測(cè)器陣列拼縫越小。但是，采用機(jī)械拼接時(shí)無(wú)法完全消除拼縫。對(duì)于拼縫敏感的應(yīng)用領(lǐng)域，如天基導(dǎo)彈預(yù)警領(lǐng)域，必須采用光學(xué)拼接與機(jī)械拼接結(jié)合方式消除拼縫[23]。拼縫也有用視場(chǎng)（弧度）的方式進(jìn)行表述和推算的，如JWST望遠(yuǎn)鏡的短波紅外拼接焦平面拼縫為42～52[24]。

4.3 高精度拼接技術(shù)

航天工程應(yīng)用對(duì)視場(chǎng)和空間分辨率較高，模塊間的、方向位置誤差直接影響地面目標(biāo)的定位位置，而子模塊間方向誤差則直接影響成像質(zhì)量，同時(shí)拼接子模塊本身均具有幾何參數(shù)離散性。在面陣拼接時(shí)，探測(cè)器采用模塊化封裝，可以前期篩選性能與幾何參數(shù)相近的模塊用于拼接，由于面陣光敏面不允許吸附，因此采用專用的工裝進(jìn)行夾持，如圖22所示。在拼接過(guò)程中，精度由基座保證的同時(shí)，每完成一塊探測(cè)器的拼接，就由測(cè)量顯微鏡進(jìn)行測(cè)試，如果不滿足要求，需要及時(shí)調(diào)整。對(duì)于采用激光定位的拼接設(shè)備，設(shè)備精度一般在5～20mm。

圖22 面陣專用工裝

在線列拼接時(shí)，采用將多個(gè)光敏陣列與讀出電路總成單模塊，按照一定順序拼接到公共基板上，因此通常精密拼接設(shè)備進(jìn)行正向貼片工藝。首先將探測(cè)器芯片模塊夾持在專用的工裝上，軟件定義出位置坐標(biāo)，利用顯微視頻系統(tǒng)記錄下定位標(biāo)識(shí)；完成成像轉(zhuǎn)換后，將探測(cè)器芯片的定位標(biāo)識(shí)與拼接襯底基板的標(biāo)識(shí)對(duì)準(zhǔn)，加壓加熱固定，圖23為拼接工藝示意。這種拼接工藝對(duì)準(zhǔn)精度依賴于設(shè)備的精度，目前已知對(duì)準(zhǔn)精度優(yōu)于±2mm，拼接精度優(yōu)于±5mm。

圖23 拼接工藝示意圖

4.4 本章小結(jié)

和單模塊探測(cè)器相比，拼接探測(cè)器除了要關(guān)注每個(gè)探測(cè)器芯片的性能外，更需要關(guān)注拼接組件的性能指標(biāo)，比如拼接精度、拼接后面形、系統(tǒng)功耗等。根據(jù)相機(jī)總體指標(biāo)分解后的探測(cè)器指標(biāo)，決定了用單模塊（單芯片）確定的位置進(jìn)行拼接。拼接后的精度、像元對(duì)準(zhǔn)要求、拼縫寬度等是讀出電路設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮的工程影響因素。而拼接規(guī)模、組件功耗（冷量）、電學(xué)設(shè)計(jì)要求等邊界決定了拼接組件使用模塊化封裝或共基板技術(shù)。最后，拼接時(shí)的工藝規(guī)范、拼接設(shè)備、測(cè)試設(shè)備，以及拼接結(jié)構(gòu)和輔助工裝的設(shè)計(jì)決定了最終的拼接精度和質(zhì)量。

5 結(jié)束語(yǔ)

在大規(guī)模面陣和長(zhǎng)線列探測(cè)器拼接領(lǐng)域，國(guó)外基本掌握了其關(guān)鍵技術(shù)，且產(chǎn)品也已應(yīng)用在空間對(duì)地觀測(cè)遙感器及天文望遠(yuǎn)鏡上。我國(guó)在本領(lǐng)域起步較晚，現(xiàn)有技術(shù)水平尚不足以支撐航天工程應(yīng)用時(shí)分解至拼接探測(cè)器組件的相關(guān)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)。基于航天器系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)思路，以材料（元器件）的可獲得性作為出發(fā)點(diǎn)，即基于有飛行經(jīng)歷的探測(cè)器單模塊開(kāi)展大規(guī)模探測(cè)器拼接組件研制和技術(shù)攻關(guān)是最可靠的實(shí)現(xiàn)途徑。這就需要對(duì)3個(gè)方向?qū)で蠹夹g(shù)突破。在讀出電路技術(shù)方面，應(yīng)開(kāi)展對(duì)不同拼接技術(shù)路線的適應(yīng)性改進(jìn)，并針對(duì)大規(guī)模拼接和海量數(shù)據(jù)傳遞處理的需求開(kāi)展數(shù)字化技術(shù)研究。在模塊化封裝與共基板技術(shù)方面，應(yīng)開(kāi)展低溫弛豫過(guò)程研究，對(duì)深低溫下材料本構(gòu)特性、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電子學(xué)特性開(kāi)展研究，并開(kāi)展力、熱、電耦合研究。對(duì)于高精度拼接技術(shù)，需要針對(duì)設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、儲(chǔ)存4個(gè)方面開(kāi)展全流程分析，研發(fā)自動(dòng)化、高精度的拼接輔助工裝，制定相應(yīng)的工藝規(guī)范，將整個(gè)研制過(guò)程中材料、器件、設(shè)備的自主可控，建立相應(yīng)的產(chǎn)品保證規(guī)范文件體系，才能確保拼接探測(cè)器組件的研制質(zhì)量和進(jìn)度按期實(shí)現(xiàn)。

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Infrared Detector Butted Technology for Space

LYU Weidong1，DENG Xuguang1，WANG Qianwei2，LIAN Minlong1，ZHANG Jiushuang1，CHEN Ming2，GU Deyu1，TIAN Dacheng1

(1.,100081,; 2. PLA No.32011,100081,)

To meet the demand for wide field of view, high-resolution, and multispectral detection in space applications, more large-scale bands and infrared focal plane arrays will be the future trend in space remote sensing. Currently, the scale and band of massive array detectors are limited by the sizes of detector materials and processing technology of silicon; thus, they are unable to meet the space requirements for wide field of view, high-resolution, and multispectral detection. Obtaining large-scale and multiband detectors through butting is a practical solution. In this paper, several butting techniques are discussed, and their properties, key technologies, and capabilities are presented.

large-scale infrared detector, butted technology, multi-spectral, ROIC

TN219

A

1001-8891(2022)10-0999-10

2022-07-17；

2022-09-14.

呂瑋東（1990-），男，博士，研究方向是低溫光學(xué)技術(shù)。E-mail:lvweidongcasc@163.com。