制冷型紅外探測器組件降溫性能優(yōu)化

范博文,張 懿,王 冠,孟令偉

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

制冷型紅外探測器由于其靈敏度高、分辨率高、探測距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢,幾乎壟斷了高端軍事裝備如末端制導(dǎo)、告警系統(tǒng)、軍事夜視偵查、紅外搜索和跟蹤、紅外探雷等領(lǐng)域。同時,由于制冷型紅外探測器的小型化趨勢,其在電力、熔煉、安防、醫(yī)藥等諸多非軍事領(lǐng)域中的應(yīng)用也呈發(fā)展上升趨勢。

探測器組件降溫性能的優(yōu)劣依靠組件降溫時間的長短來表征。探測器組件降溫時間短,降溫性能好,則能使探測器更快的進(jìn)行工作并輸出紅外圖像?！疤煜挛涔?唯快不破”,尤其是在軍事裝備中的應(yīng)用背景下,探測器組件能夠快速啟動、掌握戰(zhàn)場主動權(quán),是作戰(zhàn)部隊(duì)“能打仗、打勝仗”的關(guān)鍵。在這樣的背景下,研究組件降溫機(jī)理,優(yōu)化組件結(jié)構(gòu),提高組件降溫性能變得尤為關(guān)鍵和重要。

本文以640×512紅外焦平面探測器制冷組件為例,通過分析了影響降溫時間的因素,制定優(yōu)化方案,完成組件制備和驗(yàn)證,以達(dá)到縮短降溫時間的目的。

2 優(yōu)化方案設(shè)計

探測器內(nèi)部熱傳導(dǎo)致冷的冷量傳遞路徑如圖1所示。冷量由斯特林制冷機(jī)產(chǎn)生,經(jīng)由杜瓦內(nèi)部冷指冷臺金屬結(jié)構(gòu),傳導(dǎo)至使用粘接劑與冷臺耦合的結(jié)構(gòu)件,再經(jīng)過電學(xué)引出框架,最終傳導(dǎo)至探測器芯片[1]。

圖1 探測器結(jié)構(gòu)冷量熱傳導(dǎo)路徑

熱傳導(dǎo)過程的熱流率可由下式計算:

(1)

式中,Ф為熱流率,單位為瓦特(W);tw1、tw2為固體壁面溫度;δ為物體厚度;A為傳熱面積;λ為導(dǎo)熱系數(shù),單位是W/mK,是物質(zhì)導(dǎo)熱能力的量度,導(dǎo)熱系數(shù)越大,物體熱傳導(dǎo)能力越強(qiáng)。所以從理論上,可以提高熱傳導(dǎo)熱流率的方法有提高傳熱材質(zhì)的導(dǎo)熱系數(shù),降低傳熱材質(zhì)的傳熱厚度,提高傳熱面積以及提高傳熱材質(zhì)壁面間溫差。熱傳導(dǎo)方式冷量的傳遞經(jīng)由冷指冷臺金屬結(jié)構(gòu)、冷臺-結(jié)構(gòu)件粘接劑、結(jié)構(gòu)件、電學(xué)引出框架最終傳遞至探測器芯片,以傳熱學(xué)的熱阻理論,各結(jié)構(gòu)間熱阻是單線串聯(lián)方式,如圖2

所示。理論上,提高上述各結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)熱流率都會提高整體的熱傳導(dǎo)熱流率。

圖2 熱阻串聯(lián)

Fig.3 Thermal resistance series

由于探測器芯片直接粘接與電學(xué)框架表面進(jìn)行粘接,對于電學(xué)框架及芯片-框架粘接膠狀態(tài)的改變可能會導(dǎo)致芯片降溫時內(nèi)部熱應(yīng)力狀態(tài)的變化[2],從而影響芯片性能,同時,考慮到電學(xué)框架的厚度相對較薄,在熱傳導(dǎo)中所占熱阻比重較小,故本文的優(yōu)化方案中不涉及電學(xué)框架狀態(tài)的更改。下文從冷指冷臺材料、冷臺-結(jié)構(gòu)件粘接劑、結(jié)構(gòu)件形狀與材料這幾個維度進(jìn)行優(yōu)化方案設(shè)計。

(1)結(jié)構(gòu)件優(yōu)化

現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)件材質(zhì)為氧化鋁。經(jīng)過調(diào)研,氮化鋁陶瓷導(dǎo)熱系數(shù)較現(xiàn)有的氧化鋁陶瓷有較大的優(yōu)勢,且氮化鋁陶瓷材料其他力學(xué)性能與現(xiàn)有的氧化鋁陶瓷材料接近,可作為結(jié)構(gòu)件優(yōu)化的替代材料之一[3]；另外,碳化硅材料也可作為結(jié)構(gòu)件材料,其導(dǎo)熱系數(shù)介于氧化鋁陶瓷與氮化鋁陶瓷材料之間,比熱容更低,熱膨脹系數(shù)與硅讀出電路更匹配[4],加工難度小,加工工藝一致性更強(qiáng)[5]。上述三種結(jié)構(gòu)件材料的相關(guān)性能參數(shù)見表1。

表1 現(xiàn)有結(jié)構(gòu)件材料相關(guān)性能參數(shù)(293 K)

現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)件外形為倒梯形結(jié)構(gòu)(如圖3(a)所示),其優(yōu)點(diǎn)為與電學(xué)框架接觸面積較大,傳熱面積更大,缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)件重量大,導(dǎo)致其熱容較大,降溫較慢,同時由于其結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,加工中容易出現(xiàn)崩邊和應(yīng)力損傷等缺陷。由于結(jié)構(gòu)件的厚度影響到探測器整體的光學(xué)接口,故不進(jìn)行修改。從降低結(jié)構(gòu)件熱容的角度出發(fā),將結(jié)構(gòu)件由倒梯形改為體積更小的圓柱形結(jié)構(gòu)(如圖3(b)所示)。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)件傳熱面積有所減小,但其重量明顯降低,熱容隨之降低,同時提高了結(jié)構(gòu)件加工一致性和成品率。

(a)倒梯形結(jié)構(gòu)件 (b)圓柱形結(jié)構(gòu)件

圖3 倒梯形結(jié)構(gòu)件與圓柱形結(jié)構(gòu)件

Fig.3 Inverted trapezoidal structural member and cylindrical one

結(jié)合對結(jié)構(gòu)件材質(zhì)和外形兩個維度的考慮,最終確定使用氮化鋁圓柱與氧化鋁圓柱這兩款結(jié)構(gòu)件優(yōu)化方案。

(2)冷臺-結(jié)構(gòu)件粘接劑優(yōu)化

金屬冷臺與陶瓷結(jié)構(gòu)件通過環(huán)氧粘接劑進(jìn)行粘接。在粘接劑的厚度及粘接面積不變的情況下,提高粘接劑的導(dǎo)熱系數(shù)是提高粘接劑熱傳導(dǎo)熱流率的主要途徑。經(jīng)過驗(yàn)證,能夠進(jìn)行冷臺-結(jié)構(gòu)件粘接的粘接劑有兩款,兩款粘接劑的部分參數(shù)如表2所示。

表2 粘接劑部分參數(shù)

現(xiàn)有工藝使用的粘接劑為B型。B型粘接劑在導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)上優(yōu)于A型粘接劑,在提高熱傳導(dǎo)熱流率方面上使用B型粘接劑降溫性能更優(yōu)。由于粘接劑的力學(xué)強(qiáng)度影響著組件整體的環(huán)境適應(yīng)性,在力學(xué)強(qiáng)度及膨脹系數(shù)匹配方面,A型粘接劑較B型粘接劑力學(xué)強(qiáng)度更高,膨脹系數(shù)與金屬及陶瓷更加匹配。故方案設(shè)計同時考慮以上兩款粘接劑,在滿足組件的環(huán)境適應(yīng)性的前提下,優(yōu)選降溫性能更好的方案。

(3)冷指-冷臺材料優(yōu)化

冷指結(jié)構(gòu)為薄壁管,減小由冷指傳導(dǎo)引起的杜瓦漏熱,從而既降低制冷機(jī)的熱負(fù)載,又能夠保證較高的強(qiáng)度。經(jīng)過驗(yàn)證,目前能夠使用于本文所研究的探測器組件的冷指-冷臺結(jié)構(gòu)有兩款,兩款結(jié)構(gòu)的部分參數(shù)如表3所示。

表3 冷指-冷臺結(jié)構(gòu)部分參數(shù)

該款探測器組件現(xiàn)有工藝使用的冷指材料為A型,A型冷指-冷臺結(jié)構(gòu)在導(dǎo)熱系數(shù)指標(biāo)上高于B型結(jié)構(gòu),在提高熱傳導(dǎo)熱流率方面上,使用A型結(jié)構(gòu)降溫性能更優(yōu)。但為了驗(yàn)證冷指-冷臺結(jié)構(gòu)導(dǎo)熱性能差異對探測器組件整體降溫性能的影響,方案設(shè)計時加入B型冷指-冷臺結(jié)構(gòu)作為對照。

綜合上述分析,設(shè)計試制四只優(yōu)化方案探測器組件,用于交叉對比驗(yàn)證。為了驗(yàn)證優(yōu)化方案組件的環(huán)境可靠性,對其進(jìn)行開關(guān)機(jī)試驗(yàn)及振動實(shí)驗(yàn),優(yōu)化方案統(tǒng)計如表4所示。

表4 優(yōu)化方案統(tǒng)計表

3 驗(yàn)證結(jié)果分析

(1)降溫時間對比

為了減少其他工藝因素對組件降溫時間驗(yàn)證過程的影響,本項(xiàng)目工藝過程中嚴(yán)格控制工藝參數(shù),結(jié)構(gòu)件粘接使用貼片儀進(jìn)行,固化條件保持一致并在測試降溫時間時適配相同制冷機(jī)。各方案測得的降溫時間如表5所示。

表5 降溫時間統(tǒng)計表

交叉對比四種優(yōu)化方案的降溫時間,可以定性分析采用不同優(yōu)化方案對探測器降溫性能的影響:

對比方案1與方案2,方案1采用B型粘接劑而方案2采用A型粘接劑,由于B型粘接劑在導(dǎo)熱系數(shù)上優(yōu)于A型粘接劑,故在實(shí)際驗(yàn)證時方案1的降溫性能較方案2更優(yōu)；

對比方案1與方案3,方案1采用氮化鋁結(jié)構(gòu)件而方案3采用碳化硅結(jié)構(gòu)件,由于氮化鋁材質(zhì)在導(dǎo)熱系數(shù)上優(yōu)于碳化硅材質(zhì),故在實(shí)際驗(yàn)證時方案1的降溫性能較方案3更優(yōu)；

對比方案1與方案4,方案1采用A型冷指-冷臺結(jié)構(gòu)而方案4采用B型冷指-冷臺結(jié)構(gòu),由于B型粘接劑在導(dǎo)熱系數(shù)上優(yōu)于A型粘接劑,故在實(shí)際驗(yàn)證時方案1的降溫性能較方案2更優(yōu)。

可知,四種優(yōu)化方案組件的降溫時間均比對照組的平均降溫時間有明顯的減少,這說明優(yōu)化方案從實(shí)驗(yàn)上符合上文理論分析的結(jié)果。

(2)可靠性對比

可靠性對比為了驗(yàn)證優(yōu)化后的封裝方案能夠滿足組件環(huán)境可靠性的要求,需要對四只優(yōu)化后的探測器組件進(jìn)行環(huán)境可靠性實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證方法包括開關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)和振動實(shí)驗(yàn)。表6、表7分別展示了開關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)及振動實(shí)驗(yàn)要求。

表6 開關(guān)機(jī)實(shí)驗(yàn)要求

表7 振動實(shí)驗(yàn)要求

四只探測器組件經(jīng)過開關(guān)機(jī)驗(yàn)證后測試性能均正常。隨后對四只探測器進(jìn)行振動實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)后測試性能,方案1組件出現(xiàn)探測器芯片無法到溫的異常情況。解剖探測器之后發(fā)現(xiàn)該探測器結(jié)構(gòu)件與冷臺粘接膠失效斷裂。顯微照片可見(圖4),固化后的粘接劑大部分附著于冷臺一側(cè),這說明粘接劑與冷臺之間的粘接強(qiáng)度無異常,失效界面為粘接劑與結(jié)構(gòu)件的接觸面。

經(jīng)分析,導(dǎo)致該失效現(xiàn)象的原因有二。一是粘接強(qiáng)度不足:結(jié)構(gòu)件優(yōu)化后,結(jié)構(gòu)件與粘接劑的粘接面積有所減少,同時由于B型粘接劑的粘接強(qiáng)度較A型低,兩個原因最終綜合表現(xiàn)為粘接強(qiáng)度不足；二是冷臺結(jié)構(gòu)材質(zhì)與結(jié)構(gòu)件材質(zhì)熱膨脹系數(shù)不匹配和降溫速率加快導(dǎo)致粘接界面熱應(yīng)力增大:優(yōu)化前,冷臺材料和結(jié)構(gòu)件材料的熱膨脹系數(shù)分別為6.4×10-6/K和7×10-6/K,方案1組件冷臺材料和結(jié)構(gòu)件材料的熱膨脹系數(shù)分別為6.4×10-6/K和4.2×10-6/K,較優(yōu)化前的熱膨脹系數(shù)差更大,這就導(dǎo)致在溫度發(fā)生變化時界面間熱應(yīng)力也更高,從而誘發(fā)粘接劑的失效斷裂[6]。

圖4 失效表面顯微照片(冷臺)

4 結(jié) 論

通過本文上述分析可知,提升探測器組件的降溫性能應(yīng)綜合以下幾方面因素進(jìn)行優(yōu)化:

1)選擇比熱容小、導(dǎo)熱系數(shù)高的材料,以提高傳熱速度,減小熱阻;

2)盡量選擇熱膨脹系數(shù)較為匹配的材料,以適應(yīng)低溫工作環(huán)境；

3)涉及粘接工藝時,盡量選擇粘接強(qiáng)度高的粘接劑,以提高環(huán)境可靠性。

綜合以上因素可得出結(jié)論,本文研究的640×512紅外焦平面探測器組件降溫性能較好的方案為使用氮化鋁材質(zhì)的圓形結(jié)構(gòu)件,冷頭采用可伐材料,使用A型粘接劑。降溫時間從6′05″縮短至4′54″,性能優(yōu)化幅度達(dá)20 %。