紅外焦平面探測器封裝結構熱應力分析

陳 星，華 樺，何 凱，王建新，葉振華，張勤耀

(中國科學院上海技術物理研究所紅外成像材料與器件重點實驗室，上海200083)

1 引言

碲鎘汞(HgCdTe)紅外焦平面探測器通常采用倒焊的方式實現(xiàn)探測器芯片與讀出電路之間的電、熱和機械特性連接，從而達到既有紅外信號獲取、又具有信號處理功能的目的。在結構上，一個基本的探測器模塊是集成了引線基板、硅讀出電路、銦柱區(qū)和探測器芯片的多層材料體系。當HgCdTe紅外探測器上的溫度由室溫降至80 K的低溫工作環(huán)境時，材料之間的熱失配將使得整個結構產(chǎn)生較大的低溫形變和熱應力。隨著焦平面探測器規(guī)模的不斷增大，因熱失配而失效的現(xiàn)象在長線列、大面陣的探測器中會表現(xiàn)得更加明顯，是大規(guī)模紅外焦平面探測器發(fā)展過程中不可避免的問題［1－4］。

文中選擇熱匹配良好的硅基、熱失配較大的CdZnTe基襯底類型的探測器為代表結構模型，用有限元方法分析了這兩種襯底類型的探測器的低溫熱失配情況，以及引線基板熱膨脹系數(shù)、彈性模量，厚度分別對這兩種探測器熱失配應力和形變的影響;針對這兩種類型探測器熱失配情況，結合結構優(yōu)化的思想，相應地提出一些改進方法，并計算驗證方法的合理性。

2 焦平面探測器結構模型

2.1 探測器結構

圖1為背照射紅外焦平面探測器三維結構示意圖，主要包括紅外探測器芯片、硅讀出電路和引線基板三部分。探測器芯片位于結構的最頂部，接受紅外輻射并將其轉(zhuǎn)化為電信號;硅讀出電路位于探測芯片的下方，通過兩者之間的互連銦柱，相應讀取探測器芯片上每個光敏元中的電學信號，放大處理后時序輸出;位于最底部的引線基板為上述倒焊結構提供機械支撐和輸出端的作用［5］。

圖1 紅外焦平面探測器三維結構示意圖Fig.1 3D schematic diagram of IRFPA detector

2.2 探測器有限元結構模型

由于探測器的結構對稱性，選取1/4進行建模，忽略引線基板上金屬引線的影響，互連銦柱區(qū)由連續(xù)的塊狀結構進行等效，其性能參數(shù)由銦、填充膠各自性質(zhì)以及所占體積分數(shù)決定。模型的有限元網(wǎng)格劃分如圖2所示，探測器芯片上HgCdTe外延層厚度相對襯底、硅讀出電路厚度小很多，因此該層上下部分采用梯度網(wǎng)格細化劃分。在計算過程中，假設材料各向同性，材料熱膨脹系數(shù)、彈性模量為室溫至80 K 溫度范圍內(nèi)平均值，不隨溫度變化［2，6］;模型對稱面上施加對稱邊界條件，模型上溫度由室溫300 K均勻地降至80 K的低溫工作溫度。

圖2 探測器模型網(wǎng)格(1/4模型)Fig.2 Finite element mesh of detector model(1/4)

3 計算結果與討論

3.1 Si、CdZnTe襯底類型探測器熱失配情況

Si基探測器芯片與Si電路完全熱匹配，有效地解決了探測器芯片與硅電路間熱失配導致的可靠性問題，是大規(guī)模、低成本紅外焦平面探測器發(fā)展的一個重要方向;CdZnTe材料與HgCdTe材料同為閃鋅礦結構，通過材料中鋅組分的調(diào)整，可以達到與HgCdTe材料晶格的完全匹配，是制備高性能紅外焦平面器件的關鍵襯底材料［7－8］。圖3(a)、(b)分別為結構尺寸相同的 Si基和CdZnTe基探測器在80 K低溫環(huán)境下的熱失配形變圖，可知因為探測器芯片襯底類型的不同，探測器的低溫形變情況有較大差別。Si基探測器底部引線基板熱膨脹系數(shù)比其頂部硅讀出電路、硅基探測器芯片兩層大，當溫度由室溫降低到80 K低溫時，整個結構產(chǎn)生一個由中間向上凸起的形變，而CdZnTe襯底探測器芯片熱膨脹系數(shù)較其底部硅讀出電路、引線基板大，CdZnTe基探測器低溫下呈現(xiàn)的是一個由中間向下凹進的形變。探測器低溫形變是由探測器結構中各層材料間熱失配應力引起的宏觀表現(xiàn)，不僅與探測器芯片結構尺寸、材料參數(shù)有關，也與硅讀出電路、引線基板相關的結構尺寸和材料參數(shù)有緊密聯(lián)系［6，9］。

圖3 探測器低溫形變Fig.3 Deformation of IRFPA detector in cryogenic temperature

3.2 引線基板對探測器熱失配程度影響

在紅外焦平面探測器的封裝過程中，探測器芯片與硅讀出電路首先倒焊互連，然后利用環(huán)氧膠將其粘接到引線基板上，形成如圖1所示的結構。圖4(a)為硅基、CdZnTe基探測器芯片分別用硅讀出電路倒焊互連的兩種結構，以及分別相應粘接到寶石基板后，提取的探測器芯片頂表面中心線上的低溫形變曲線，圖4(b)為相應從這四種結構時探測器芯片厚度方向中心線上提取的襯底中熱失配應力分布曲線?？芍獙τ谔綔y器芯片與硅讀出電路倒焊互連形成的雙層結構，由于CdZnTe襯底熱膨脹系數(shù)較硅電路大，當溫度降低時，CdZnTe基探測器芯片與電路互連雙層結構向下產(chǎn)生了將近47 μm的低溫形變，而硅基探測器芯片因為與電路熱匹配，低溫時兩者的互連結構不發(fā)生形變;在探測器芯片襯底熱失配應力上，CdZnTe基探測器芯片互連結構中的熱應力水平也要比硅基探測器芯片中的高?；ミB結構粘接到寶石引線基板上后，探測器芯片頂表面形變、襯底中熱應力分布情況均發(fā)生了較大變化。熱匹配較好的硅基探測器芯片互連結構由于熱膨脹系數(shù)相對較大的寶石引線基板的加入低溫時產(chǎn)生了由中間向上凸起的形變，中心處最大的形變位移為19 μm，此時襯底受一個較小的張應力的影響;而寶石基板熱膨脹系數(shù)與CdZnTe襯底接近，CdZnTe基探測器芯片互連雙層結構在增加引線基板后形成了一個對稱的平衡結構，形變程度較雙層結構有非常明顯的改善，中心處最大形變位移減小到了－2.4 μm，但襯底中熱應力大小卻相對增加了2.9倍，這主要是因為形變的減小造成結構中的熱失配應力無法釋放而具有較高的水平。

圖4 增加引線基板前后探測器封裝結構熱失配情況比較Fig.4 Comparison of thermal mismatch in IRFPA packaging assembly before and after adding the electrical lead board

用于引線基板的材料主要有AlN、Al2O3和BeO等一些陶瓷材料［10］。Al2O3陶瓷片強度高、電絕緣性好、加工平整度高，是紅外探測器封裝常用的引線基板材料，在熱膨脹系數(shù)、彈性模量、厚度等參數(shù)變化時，相應結構中熱應力變化情況如圖5所示?？芍獙τ诠杌?、CdZnTe基探測器，材料參數(shù)的變化對兩者中熱應力水平均有不同程度的影響，硅基探測器隨引線基板熱膨脹系數(shù)、厚度變化熱應力變化范圍大，合適的基板材料可以有效地控制探測器中的熱應力水平，而CdZnTe基探測器由于CdZnTe襯底探測器芯片與硅電路之間存在相當大的熱失配，引線基板的變化對探測器芯片中熱應力水平調(diào)節(jié)范圍相對較小，難以從根本上改善探測器芯片中的熱應力水平。

圖5 熱應力與引線基板材料參數(shù)之間關系Fig.5 Relationship between thermal stress and material properties of electrical lead board

3.3 探測器結構優(yōu)化

對于疊層封裝的紅外焦平面探測器，通過調(diào)整組成層材料的結構尺寸［6］、封裝結構以及選擇性能參數(shù)合適的材料等方法［2］，可以有效地改善探測器結構中的形變和熱應力分布情況。圖6(a)、(b)分別為換用了熱膨脹系數(shù)較小的AlN材料為引線基板的硅基探測器、以及在硅電路底部增加熱膨脹系數(shù)較大的不銹鋼壓縮層的CdZnTe基探測器兩種優(yōu)化結構于80 K低溫條件下的形變情況，圖7(a)、(b)分別為從優(yōu)化后的兩種探測器結構中相應探測器芯片厚度方向中心線上提取的襯底中熱失配應力分布曲線，可知硅基探測器優(yōu)化后低溫熱失配形變改善明顯，探測器芯片頂面中心處最大形變位移由原來的19 μm減小到1.6 μm，襯底中熱應力由一個相對較大的張應力轉(zhuǎn)化為較小壓應力影響;CdZnTe基探測器結構頂面中心處最大形變位移優(yōu)化前后均較小，但芯片襯底中的熱應力水平相對減小了48.3%，這主要是由于不銹鋼壓縮硅電路的作用，減小了與探測器芯片間的熱失配程度，因此改善效果顯著。

圖6 結構優(yōu)化后探測器低溫形變Fig.6 Deformation of IRFPA detector in cryogenic temperature after structure optimization

圖7 結構優(yōu)化后探測器中熱應力Fig.7 Thermal stress distribution of IRFPA detector after structure optimization

4 結論

通過建立硅基、CdZnTe基兩種紅外焦平面探測器的有限元結構分析模型，計算得到了這兩種探測器結構在低溫條件下的熱失配情況。硅基探測器中探測器芯片與硅電路間雖然熱匹配非常良好，但由于引線基板的影響，探測器結構上的低溫形變和熱應力大小均發(fā)生了變化，調(diào)節(jié)引線基板熱膨脹系數(shù)、彈性模量和厚度等參數(shù)可在較大范圍內(nèi)改變探測器結構上的形變程度和熱應力水平，因此硅基探測器只需通過選擇合適的引線基板以及相應厚度上進行控制便可達到結構優(yōu)化的目的;CdZnTe基探測器結構上的熱應力水平較硅基探測器高得多，這主要源于探測器芯片與硅電路間熱失配，同時也與引線基板性能參數(shù)、結構尺寸相關，熱膨脹系數(shù)較大的類CdZnTe基探測器結構優(yōu)化的關鍵在于調(diào)節(jié)和控制硅電路與探測器芯片之間的熱匹配程度。

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