長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器組件冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

東海杰,張 磊,白紹竣,王成剛,王春生,喻松林,孟令偉,張 懿

(1.華北光電技術(shù)研究所,北京 100015；2. 北京空間機(jī)電研究所,北京 100094)

1 引 言

長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器組件是“高分5號(hào)”衛(wèi)星全譜段光譜成像儀是核心部件,為多譜段多線列探測(cè)器,短中波組件集成了短波2個(gè)譜段、中波2個(gè)譜段共4個(gè)譜段,短波每個(gè)譜段探測(cè)器像元規(guī)模為3072×3元、中波每個(gè)譜段像元規(guī)模1536×3元；長(zhǎng)波組件集成了4個(gè)譜段,長(zhǎng)波每個(gè)譜段像元規(guī)模1536×3元。短中波探測(cè)器工作溫度80 K,長(zhǎng)波探測(cè)器工作溫度60 K,長(zhǎng)線列探測(cè)器組件封裝用冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸為95 mm×80 mm,由于碲鎘汞探測(cè)器與硅讀出電路固有的熱失配,隨著探測(cè)器線列規(guī)模的增大,大尺寸冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)與制冷機(jī)耦合導(dǎo)致的應(yīng)力變形也隨著增大,為此需要通過(guò)冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)降低熱應(yīng)力對(duì)探測(cè)器影響,避免熱應(yīng)力導(dǎo)致探測(cè)器光電性能的劣化,以滿足紅外系統(tǒng)對(duì)探測(cè)器可靠性壽命要求。

2 冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)組成

長(zhǎng)線列紅外探測(cè)封裝冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)由長(zhǎng)線列拼接探測(cè)器、濾光片、陶瓷過(guò)渡板、柔性導(dǎo)電帶以及與制冷機(jī)耦合的金屬基板組成,探測(cè)器通過(guò)金屬基板與制冷機(jī)冷臺(tái)完成熱耦合,以保證探測(cè)器工作溫度,如圖1所示。

圖1 長(zhǎng)線列探測(cè)器冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)構(gòu)成圖Fig.1 The cold Table for long linear infrared detector

探測(cè)器芯片模塊以交錯(cuò)模式機(jī)械拼接到拼接襯底上,濾光片對(duì)光譜特性進(jìn)行細(xì)分,保證探測(cè)器光學(xué)響應(yīng),陶瓷過(guò)渡板用于探測(cè)器信號(hào)輸出、柔性導(dǎo)電帶完成探測(cè)器組件與外部視頻電路的連接。由于探測(cè)器芯片模塊、拼接襯底、陶瓷過(guò)渡板、金屬基板以及制冷機(jī)冷臺(tái)材料之間存在固有熱失配,需要在保證拼接襯底、柔性導(dǎo)電帶和陶瓷過(guò)渡板電學(xué)連接材料不改變的條件下,對(duì)金屬基板和制冷機(jī)冷臺(tái)材料以及耦合方式進(jìn)行匹配設(shè)計(jì)。

3 冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真結(jié)果

3.1 低應(yīng)力冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

低應(yīng)力冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要考慮探測(cè)器低的熱應(yīng)力變形和保證與制冷機(jī)耦合的熱效率。選用了半導(dǎo)體封裝常用的鉬銅材料制備金屬基板,同時(shí),考慮到大尺寸寶石拼接基板與鉬銅材料的熱失配,將金屬基板設(shè)計(jì)成兩體結(jié)構(gòu),在金屬基板上設(shè)計(jì)了卸載槽結(jié)構(gòu),用于改善探測(cè)器焦面的應(yīng)力分配,避免冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)中心區(qū)域應(yīng)力變形的增大。冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)與制冷機(jī)耦合之間采用填充膠與螺釘耦合緊固方式,在金屬基板集成過(guò)程中采用塞尺對(duì)卸載槽尺寸進(jìn)行控制,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示,金屬基板卸載槽測(cè)試如圖3所示。

圖2 冷臺(tái)面卸載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.2 Unloading structure design of cold Table

圖3 卸載槽測(cè)試狀態(tài)Fig.3 Unloading grooves test

3.2 冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)仿真分析

采用有限元仿真對(duì)冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,采用指定溫度的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析。由于溫度確定,沒(méi)有進(jìn)行傳熱分析,模型中施加的載荷即熱載荷,為簡(jiǎn)化分析,模型中沒(méi)有包括螺栓模型,螺栓連接方式和粘接用“bonding”方式代替,即零件之間完全緊固。主要分析要點(diǎn)如下:

a)陶瓷過(guò)渡板上最大應(yīng)力及應(yīng)力分布,考察其是否超過(guò)材料的斷裂極限應(yīng)力；

b)焦平面的法向變形:焦平面即三片硅片所形成的平面,在低溫下由于各個(gè)零件的變形導(dǎo)致焦平面受到影響,考察其大小的值即三個(gè)芯片在豎直方向的變形；

材料參數(shù)如表1所示,探測(cè)器工作溫度設(shè)定60 K,環(huán)境溫度設(shè)置為室溫,仿真分析結(jié)果如圖4、圖5和圖6所示。

表1 材料參數(shù)表Tab.1 Material parameters

圖4 圖4陶瓷過(guò)渡基板熱應(yīng)力仿真結(jié)果Fig.4 Thermal stress of ceramic substrate

圖6 寶石拼接襯底變形分布Fig.6 Thermal deformation of sapphire mosaic substrate

表2為冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)仿真分析結(jié)果。根據(jù)仿真結(jié)果,冷臺(tái)面卸載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善了拼接襯底的應(yīng)力變形,陶瓷過(guò)渡板最大應(yīng)力94 MPa，小于陶瓷150 MPa許用應(yīng)力,探測(cè)器芯片變形46 μm，滿足系統(tǒng)成像焦深要求。

表2 冷臺(tái)面結(jié)構(gòu)仿真分析結(jié)果Tab.2 Simulation result of unloading structure

4 探測(cè)器組件開(kāi)關(guān)機(jī)壽命試驗(yàn)結(jié)果

采用冷臺(tái)面卸載結(jié)構(gòu)封裝的長(zhǎng)波探測(cè)器組件完成了地面300次開(kāi)關(guān)機(jī)試驗(yàn),試驗(yàn)工作剖面如圖7所示,紅外探測(cè)器組件在試驗(yàn)前后性能穩(wěn)定，如表3所示。

圖7 探測(cè)器組件開(kāi)關(guān)機(jī)壽命試驗(yàn)工作剖面Fig.7 On-off experiments profile of the detector表3 開(kāi)關(guān)機(jī)壽命試驗(yàn)過(guò)程中受試產(chǎn)品性能測(cè)試結(jié)果Tab.3 Performance test results during life test

開(kāi)關(guān)機(jī)次數(shù)芯片加斷電次數(shù)盲元率/%譜段DS1DS2DS3響應(yīng)率不均勻性/%試驗(yàn)前LW100.20.4LW117.2LW200.20.2LW217.8LW31.21.40.4LW322.9LW42.01.20.4LW426.7100101LW100.20.4LW117.9LW200.20.4LW218.1LW31.81.40.4LW324.6LW41.81.00.4LW427.9200201LW1000.4LW116.3LW2000.4LW217.8LW31.61.40.4LW322.9LW42.01.00.4LW425.1300301LW1000.4LW116.5LW2000.4LW217.9LW31.21.60.4LW322.8LW41.61.40.4LW425.3

5 結(jié) 論

針對(duì)長(zhǎng)線列紅外探測(cè)器封裝設(shè)計(jì)的冷臺(tái)面卸載槽結(jié)構(gòu),通過(guò)有限元仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證,探測(cè)器焦面變形滿足紅外相機(jī)成像要求,探測(cè)器組件開(kāi)關(guān)機(jī)壽命滿足衛(wèi)星應(yīng)用要求。提出的冷臺(tái)面卸載槽設(shè)計(jì),為后續(xù)超長(zhǎng)線列探測(cè)器封裝設(shè)計(jì)提供了一條技術(shù)解決途徑,有利于降低超長(zhǎng)線列探測(cè)器焦面應(yīng)力。

致謝:感謝北京理工大學(xué)張海波老師在有限元仿真分析方面給予的支持。