InSb多元探測器玻璃杜瓦貯存壽命研究

王洋　張宏飛　孟超　司俊杰

摘要：? ? ? InSb紅外探測器是紅外系統(tǒng)的核心部件， 探測器的壽命在很大程度上決定著系統(tǒng)的壽命， 直接影響著系統(tǒng)的使用及保障。 因此， 探測器的壽命如何評價及采用何種試驗方法來評價至關重要， 但由于紅外系統(tǒng)的敏感性， 可查閱的國外資料比較少， 并且壽命試驗周期長、 費用高， 國內至今未形成有效的壽命試驗、 分析與評價方法。? 本文采用15個InSb多元探測器開展了貯存試驗研究， 應力水平分別為70 ℃、 80 ℃、 90 ℃。 測試試驗過程中不同溫度下熱負載的變化， 對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析及處理， 獲得了壽命加速模型t=2.18×10-8·exp（0.79/KT）， 激活能為0.79 eV， 評估了探測器在30 ℃下壽命可以達到30.76年。

關鍵詞：? ? ? 探測器;? InSb; 壽命試驗; 貯存壽命; 玻璃杜瓦

中圖分類號：? ? ?TN215; TJ760.7文獻標識碼：? ? A文章編號：? ? ?1673-5048（2020）02-0092-05

0引言

玻璃杜瓦內部真空度的保持時間直接關系到探測器的貯存壽命， 這種由于真空度下降導致器件失效的壽命稱為貯存壽命， 影響真空度主要原因有杜瓦漏氣和材料放氣。

杜瓦漏氣是不可避免的。 嚴格來說， 一切真空器件漏氣是絕對的， 不漏是相對的。 通常氣體分子能滲透不同金屬、 非金屬材料的晶格進入器件內部， 但在探測器工作溫度范圍內數(shù)量級很小， 而制造工藝不良帶來的漏氣遠比材料滲透大幾個數(shù)量級[1]。 對于玻璃杜瓦而言， 優(yōu)化生產(chǎn)工藝、 減少接縫、 材料預處理都能有效降低產(chǎn)品的漏氣率。

材料放氣主要源于杜瓦內部濾光片支架、 冷光闌等金屬材料[2]。 玻璃杜瓦經(jīng)過高溫排氣之后， 真空內壁溶解、 吸附的氣體相對漏氣基本可忽略。 材料放氣速率隨溫度升高而加大， 通過高溫烘烤試驗可以得到產(chǎn)品加速壽命。

本文選用制冷型InSb多元探測器樣本進行高溫貯存試驗， 對杜瓦性能進行測試并分析， 由此對InSb多元紅外探測器的高溫貯存壽命開展研究。

1玻璃杜瓦真空壽命分析

1.1玻璃杜瓦漏氣

在忽略杜瓦內部放氣的條件下， 根據(jù)式（1）計算玻璃杜瓦組件理論壽命：

式中：? t為從P0到Pt所需的時間， s; Pt為器件正常工作允許最低真空度， Pa;? P0為器件封離排氣系統(tǒng)時真空度， Pa; V為器件真空總容積， L; Q為氦氣總漏氣速率， Pa·L/s。

加速試驗所選用器件的真空總容積V為2 812.758 6 mm3，Q0≤8×10-15 He.atm.cc/s， P0≤1×10-6 Pa， 而且玻璃杜瓦組件真空度Pt≥0.1 Pa時失效[3]。 通過計算可得器件的真空壽命在11年（He）以上。 氣體的漏率與質量數(shù)成反比。 氦氣的漏率是空氣漏率的2.7倍， 氦漏率下計算的器件壽命11年換算為空氣下的壽命應為30年以上。 在玻璃杜瓦組件不發(fā)生更大的物理破壞導致漏氣增加的情況下， 玻璃杜瓦組件的漏率不會增加， 因此不考慮玻璃杜瓦內部放氣的條件下， 試驗所用探測器的玻璃杜瓦的壽命至少能夠達到30年。

1.2玻璃杜瓦放氣

玻璃杜瓦內部的各個零件在大氣環(huán)境下溶解、 吸附了一些氣體， 這些零件被封裝之后， 所溶解、 吸附的氣體會慢慢釋放出來， 放氣的速率除了與材料性質、 制造工藝、 預處理有關外， 環(huán)境溫度是影響玻璃杜瓦真空度的主要原因[4]：

由式（2）可知， 環(huán)境溫度越高， 玻璃杜瓦內部材料的放氣速率越大。 通過對玻璃杜瓦進行真空、 高溫烘烤除氣后， 玻璃杜瓦表面的氣體可以脫附很多。 但由于InSb探測器本身可承受的溫度有限， 對其烘烤溫度不能過高， 導致玻璃杜瓦組件在常溫下有不可忽略的放氣， 這是影響玻璃杜瓦組件真空壽命的主要因素。 因此選擇貯存溫度作為應力， 對器件進行加速真空壽命試驗。

1.3玻璃杜瓦真空壽命試驗方法

真空壽命是紅外探測器可靠性的重要部分。 對于高可靠、 長壽命周期的產(chǎn)品而言， 壽命試驗所需的時間很長。 這種試驗的數(shù)據(jù)更加真實可靠， 但其成本高、 時間長、 管理工作繁重。 為了縮短試驗時間， 在不改變產(chǎn)品故障模式和失效機理的前提下， 通過加大應力的方法來縮短試驗時間， 并利用高應力水平下的壽命特征去外推正常應力水平下的壽命特征。 這一試驗方法稱為加速壽命試驗。 加速壽命試驗能夠有效地的縮短試驗時間， 降低成本， 使研究長壽命周期的探測器玻璃杜瓦壽命成為可能， 因而被廣泛應用。

航空兵器2020年第27卷第2期王洋， 等： InSb多元探測器玻璃杜瓦貯存壽命研究2加速真空壽命試驗設計

2.1加速試驗設計

（1） 加速壽命試驗選用的產(chǎn)品為某型探測器玻璃杜瓦， 所有產(chǎn)品均為相同工藝、 相同材料、 不同批次的合格產(chǎn)品;

（2） 選擇貯存溫度作為加速應力， 最高溫度不超過產(chǎn)品的失效溫度（95 ℃）， 確保器件失效機理一致， 試驗方法為恒定應力加速試驗， 采用定時截尾;

（3） 以玻璃杜瓦熱負載超出100 mW[5]為失效判據(jù)。

2.2加速試驗參數(shù)設計

（1） 應力的選取

加速應力水平數(shù)為3個， 分別為T1=70 ℃、 T2=80 ℃、 T3=90 ℃。

（2） 樣品數(shù)量

每個溫度點的樣品數(shù)量為5個。

（3） 樣品檢測

樣品檢測均采用同一臺設備， 同一人操作， 相同的檢測方法， 最大程度地降低外界因素對測量結果的影響。 通過產(chǎn)品的失效規(guī)律和施加應力大小來確定產(chǎn)品的測試周期， 在可能存在較多產(chǎn)品失效的時間段內， 應測得集中一些; 而在不大可能失效的時間段內可少測幾次。 盡量避免產(chǎn)品失效過于集中在少數(shù)幾個測試周期內。

3試驗結果及真空壽命分析

3.1試驗結果總體情況

加速壽命試驗采用定時截尾， 70 ℃下貯存4 351 h， 沒有杜瓦失效; 80 ℃下貯存2 291 h， 失效率為20%; 90 ℃下貯存2 123 h， 失效率為80%。 加速壽命試驗總體試驗情況如表1所示。

3.2試驗結果數(shù)據(jù)處理

3.2.1真空壽命擬合

由式（2）可知， 在相同的溫度下， 放氣速率是一定的， 因此， 杜瓦出氣量與高溫貯存時間成線性關系[6]， 又因為真空度與熱負載成線性關系， 所以熱負載與高溫貯存時間也是線性關系。 可以用最小二乘法對試驗數(shù)據(jù)進行直線擬合處理， 得到熱負載為100 mW時的高溫貯存時間， 即該試驗件的高溫貯存壽命。 考慮到測試數(shù)據(jù)時， 因為環(huán)境、 設備以及人為操作等的影響， 測量值有較大的波動范圍， 因此設定閥值M， 當實際測量值與擬合值做差大于M時， 則認為該測量值誤差太大需舍棄。 舍棄誤差大的測量值后， 再一次對剩余的測量值重新擬合， 得到了最終的擬合關系：

對擬合關系進行求解， 計算y=100 mW時的高溫貯存時間t， 即該器件的高溫貯存壽命， 擬合結果如表2和圖1所示。 由于探測器生產(chǎn)過程都是由人工操作， 每個器件都存在微小的差異性， 試驗結果也不同， 故每個器件的擬合壽命也不盡相同。

4結論

本文通過對玻璃杜瓦真空壽命影響因素的分析， 以溫度作為加速因子， 對玻璃杜瓦器件進行真空加速壽命試驗。 重點闡述了試驗方法和試驗數(shù)據(jù)的處理， 得到玻璃杜瓦的真空壽命方程： t=2.18×10-8e0.787 47KT。 通過該方程得到玻璃杜瓦30 ℃貯存壽命達到30.76年， 完全可以達到產(chǎn)品的使用要求。

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Abstract： InSb infrared detectors are the key components of an infrared system， and the lifetime of detector determins the lifetime of a system greatly and affect the application of the system directly， so it is very important how to evaluate the detector life and what kind of test method to be used. Due to? sensitiveness of the infrared system，? few materials can be consulted， and long cycle and high cost of lifetime experiment， there is not any effective lifetime test， and analysis & evaluation method. In this paper， a storagelifetime experiment is tested with 15 InSb multielement detectors， and selected temperatures is 70? ℃， 80? ℃，and 90? ℃ respectively. The changing of thermal load is tested under different temperatures， and the testing results are statistical analyzed and processed. The accelerated lifetime model t=2.18×10-8. exp（0.79/KT） is obtained， and the activation energy is 0.79 eV. The lifetime of the detector under 30? ℃ is evaluated up to 30.76 years.

Key words： detector; InSb; lifetime test; storagelifetime; glass dewar