紅外探測(cè)器多余物的危害及預(yù)防

雷永暢，李建林，董 偉，周嘉鼎，侯禮坤，錢昆倫

〈紅外應(yīng)用〉

紅外探測(cè)器多余物的危害及預(yù)防

雷永暢，李建林，董 偉，周嘉鼎，侯禮坤，錢昆倫

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

多余物引起航天、航空產(chǎn)品發(fā)生故障的案例有很多。紅外探測(cè)器多余物的動(dòng)態(tài)位移，會(huì)導(dǎo)致瞬時(shí)閃現(xiàn)的圓形影像故障，干擾紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別與跟蹤；或者碰撞焦平面陣列產(chǎn)生無(wú)效像元，影響熱成像系統(tǒng)的最小可分辨溫差和作用距離。通過(guò)分步拆卸查找故障器件內(nèi)的可排除宏觀微粒，運(yùn)用掃描電鏡檢測(cè)識(shí)別多余物，梳理制造過(guò)程和使用過(guò)程中出現(xiàn)多余物的來(lái)源和產(chǎn)生過(guò)程，提出必須從生產(chǎn)源頭預(yù)防和控制多余物的途徑和方法。力學(xué)和光學(xué)分析計(jì)算表明，宏觀微粒破壞成像光束在焦平面上的光強(qiáng)分布，它位移掠過(guò)視場(chǎng)的時(shí)間小于50ms，線度小于1mm衍射現(xiàn)象顯著，圓形影像大多發(fā)生在夫瑯禾費(fèi)衍射區(qū)域，線度10mm大小的多余物靠近焦平面陣列產(chǎn)生菲涅耳衍射斑。

質(zhì)量控制；過(guò)程方法；多余物；紅外探測(cè)器；杜瓦瓶

0 引言

產(chǎn)品中存在的多余物可能造成極大的危害，產(chǎn)生災(zāi)難性的事故。1992年3月中國(guó)發(fā)射美制澳大利亞通信衛(wèi)星，因火箭內(nèi)殘留有鋁制多余物，造成衛(wèi)星發(fā)射失敗[1]。2002年，因繼電器內(nèi)的點(diǎn)焊飛濺多余物，致使神舟三號(hào)地面控制設(shè)備發(fā)生故障。2013年，因發(fā)動(dòng)機(jī)燃料管內(nèi)存在多余物，造成資源一號(hào)03星故障。2014年，美國(guó)心宿二運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)液氧渦輪泵中的鈦、硅多余物，導(dǎo)致其爆炸[2]。多余物的種類多、形態(tài)多，無(wú)論是外部進(jìn)入或內(nèi)部產(chǎn)生的都不容易杜絕，很難被檢測(cè)和控制，它的存在是絕對(duì)的，不存在是相對(duì)的。目前，粒子碰撞噪聲檢測(cè)（Particle Impact Noise Detection，PIND）和馬特拉（Matrah）檢測(cè)是繼電器、微電子器件多余物的常用檢測(cè)方法，可以檢測(cè)出電子元器件中1mg（對(duì)應(yīng)46mm的Au球）以上的多余物[3]。然而，即使0.01mg（對(duì)應(yīng)10mm的Au球）的多余物，也會(huì)影響紅外焦平面上的光強(qiáng)分布，干擾系統(tǒng)對(duì)紅外弱小目標(biāo)的檢測(cè)跟蹤。紅外探測(cè)器芯片與冷屏和濾光片圍合的空間區(qū)域是通過(guò)懸臂結(jié)構(gòu)的冷指連接到杜瓦瓶殼體上，現(xiàn)有粒子碰撞噪聲檢測(cè)試驗(yàn)無(wú)法檢測(cè)到這個(gè)空間區(qū)域的自由粒子。

制冷紅外探測(cè)器由紅外探測(cè)器芯片、讀出電路芯片、電氣傳輸互聯(lián)金屬連線、杜瓦瓶和制冷器（機(jī)）組成，使用過(guò)程中在紅外焦平面杜瓦組件或制冷器（機(jī)）組件里，可能會(huì)產(chǎn)生固體或氣體多余物。當(dāng)處于劇烈振動(dòng)工作狀態(tài)時(shí)，固體多余物的動(dòng)態(tài)位移，可能會(huì)碰撞焦平面陣列產(chǎn)生無(wú)效像元，或者遮擋成像輻射產(chǎn)生瞬時(shí)閃現(xiàn)的圓形影像，金屬微粒會(huì)引起電路金屬連線短路或串?dāng)_，也可能會(huì)產(chǎn)生氣路堵塞等環(huán)境效應(yīng)。氣體多余物能造成高真空絕熱性能退化、制冷工質(zhì)純度降低，導(dǎo)致降溫時(shí)間大于或紅外焦平面溫度高于技術(shù)規(guī)范要求值。國(guó)產(chǎn)或進(jìn)口紅外探測(cè)器在實(shí)際應(yīng)用中，都有瞬時(shí)閃現(xiàn)圓形影像的問(wèn)題[4]，其密封真空空間內(nèi)肯定存在動(dòng)態(tài)移動(dòng)的多余物。工程實(shí)踐中，依靠振動(dòng)激活多余物，運(yùn)用人工識(shí)別有無(wú)瞬時(shí)閃現(xiàn)圓形影像的方法，經(jīng)過(guò)“篩選合格”沒(méi)有瞬時(shí)閃現(xiàn)圓形影像的紅外探測(cè)器，并不能保證在后續(xù)使用過(guò)程中不再出現(xiàn)瞬時(shí)閃現(xiàn)的圓形影像。因?yàn)椋嬖谒矔r(shí)閃現(xiàn)圓形影像就是存在動(dòng)態(tài)移動(dòng)多余物的充分條件。如果有瞬時(shí)閃現(xiàn)的圓形影像，則必然有動(dòng)態(tài)移動(dòng)的多余物。

20世紀(jì)90年代，我國(guó)航空、航天行業(yè)發(fā)布了控制多余物的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5-6]；21世紀(jì)10年代，先后發(fā)布了航天和電子行業(yè)的多余物預(yù)防和控制標(biāo)準(zhǔn)[7-8]。近年來(lái)，又發(fā)布了多余物控制要求的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[9-10]。國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)“質(zhì)量管理體系要求”明確規(guī)定承擔(dān)軍用產(chǎn)品生產(chǎn)的組織，應(yīng)在受控條件下進(jìn)行生產(chǎn)，提供的控制包括“關(guān)于預(yù)防、探測(cè)和排除多余物的規(guī)定”[11]。因此，制定紅外探測(cè)器多余物控制要求，從源頭預(yù)防和控制多余物勢(shì)在必行。針對(duì)未經(jīng)過(guò)或經(jīng)過(guò)多余物控制的紅外探測(cè)器，研究顯微鏡目視檢查排除多余物的技術(shù)和方法，用掃描電鏡能譜分析識(shí)別實(shí)際多余物的成分和大小，梳理生產(chǎn)過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生或外部進(jìn)入多余物的來(lái)源和產(chǎn)生過(guò)程，理論分析計(jì)算自由微粒的動(dòng)態(tài)移動(dòng)時(shí)間和瞬時(shí)閃現(xiàn)圓形影像的成像規(guī)律，為有效地預(yù)防和控制紅外探測(cè)器的多余物，庶幾有所裨益。

1 紅外探測(cè)器的多余物

1.1 多余物的產(chǎn)生及來(lái)源

紅外探測(cè)器在制造過(guò)程中外部進(jìn)入的或使用過(guò)程中內(nèi)部產(chǎn)生的與產(chǎn)品的功能、特性沒(méi)有關(guān)聯(lián)的多余物，是指遺留在產(chǎn)品、零件、部件和組件中的一切與組成產(chǎn)品無(wú)關(guān)的物體。即產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣、工藝技術(shù)要求和文字技術(shù)文件明確以外的任何物質(zhì)均為多余物。宏觀多余物是人的正常視力能看見(jiàn)的線度大于0.076mm的一切多余物，微觀多余物是指需要借助X射線、放大鏡或顯微鏡等光學(xué)分析儀器才能觀察到的一切多余物。產(chǎn)品中的微小顆粒物，一般指大小為10－4～10－1mm的微粒，也稱為宏觀微粒。

多余物來(lái)源于內(nèi)部產(chǎn)生和外部進(jìn)入，存在發(fā)現(xiàn)、定位和復(fù)現(xiàn)難等問(wèn)題，識(shí)別多余物的來(lái)源和產(chǎn)生過(guò)程并非易事，這里給出制造過(guò)程和使用過(guò)程中出現(xiàn)多余物的工程實(shí)例。零部件組裝過(guò)程中經(jīng)過(guò)多余物的檢查控制，在最后密封焊接工藝前對(duì)密封腔體表面可視區(qū)域再次進(jìn)行顯微鏡目視檢查，仍然在Si讀出集成電路、陶瓷基板和電氣傳輸饋線環(huán)等區(qū)域找到線狀、球狀和顆粒狀的金屬或非金屬，呈現(xiàn)白色、黑色、黃褐色、淺藍(lán)色和金屬光澤的可排除多余物，其線度為0.01～0.05mm，能識(shí)別確認(rèn)的多余物有CdZnTe、導(dǎo)電膠?？梢钥闯?，要杜絕宏觀微粒，此任重道遠(yuǎn)。顧客使用過(guò)程中出現(xiàn)瞬時(shí)閃現(xiàn)“黑斑”的故障，返廠拆卸窗口、冷屏部件后，冷屏圍合的區(qū)域內(nèi)查找到確認(rèn)為CdZnTe、Zr-V-Fe和Al2O3的宏觀微粒，冷屏外查找到吸氣劑絕緣陶瓷管碎裂Al2O3、陶瓷基板絕緣涂層脫落介質(zhì)膜和金屬鎳、銅、錫鉛等宏觀微粒。多余物的材質(zhì)信息對(duì)優(yōu)化生產(chǎn)工藝和減少多余物產(chǎn)生具有重要參考價(jià)值。圖1所示為幾種多余物的掃描電鏡形貌像，能譜分析材質(zhì)識(shí)別確認(rèn)幾種多余物，其中(d)、(i)難以識(shí)別。

可以歸納這些多余物的主要來(lái)源有：

1）零部件設(shè)計(jì)、加工產(chǎn)生。例如：表面粗糙度標(biāo)注不合理，加工紋理、切削溝槽附著微粒；吸氣劑選型錯(cuò)誤（不選無(wú)顆粒型）；電火花加工殘留熔渣、熔球；釬焊熔渣、熔球；切削加工金屬屑、毛刺；陶瓷激光切割熔渣、熔球；清洗工藝殘留纖維、未洗凈污染物。

2）零件表面涂鍍層瑕疵產(chǎn)生。例如：電鍍鎳層鼓泡、起皮、零件結(jié)構(gòu)特性產(chǎn)生的鍍層突起；黑化涂層表面成膜不均勻突起顆粒物、潮解析出硅酸鉀白色顆粒物；陶瓷基板絕緣膜附著不牢固。

3）探測(cè)器、杜瓦瓶組裝工藝產(chǎn)生。例如：電阻、激光焊接熔渣、飛濺；焊接熱影響產(chǎn)生鍍鎳層鼓泡、起皮；抽氣工藝殘留卡套接頭和排氣管金屬屑；芯片封裝殘留粘接劑、引線鍵合殘留多余物。

(a)金Au，(b)銦錫合金In-Sn，(c)硬鋁2A12，(d)銀白色異物（C/17.86%、O/4.23%、Si/0.55%、Cl/10.74%、Ca/0.28%、Cu/6.76%、Zn/57.25%），(e)不銹鋼1Cr18Ni9Ti，(f)黑化涂層，(g)精密定膨脹合金4J29，(h)粘接劑，(i)棕褐色異物（C/48.16%、O/11.47%、Cl/17.83%、Zn/22.54%）

4）零部件制造缺陷產(chǎn)生。例如：吸氣劑燒結(jié)弱連接微粒脫落；電鑄冷屏工序中殘留的弱連接微粒；芯片襯底、硅讀出電路和陶瓷基板邊緣碎裂損傷等。

5）環(huán)境性多余物由人、空氣、設(shè)備、材料磨損等因素產(chǎn)生。例如：制造過(guò)程中儲(chǔ)存、運(yùn)輸、組裝、操作等工藝環(huán)節(jié)引入塵埃、金屬或非金屬微粒；人體代謝產(chǎn)物如毛發(fā)、唾液、汗液、皮屑等。

1.2 多余物的危害

按光電探測(cè)系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性振動(dòng)環(huán)境要求，模擬輸入功率密度譜（Power spectral density，PSD）0.08g/Hz的飛行振動(dòng)環(huán)境，紅外探測(cè)器在、、向振動(dòng)試驗(yàn)中，都會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)閃現(xiàn)的圓形影像，有時(shí)出現(xiàn)幾次或十幾次，有時(shí)僅僅出現(xiàn)一次，具有隨機(jī)性、突發(fā)性和不確定性的特點(diǎn)，并不能很好地復(fù)現(xiàn)故障現(xiàn)象。如果生產(chǎn)過(guò)程中殘留的多余物或形成的弱連接微粒，經(jīng)歷高溫抽氣、環(huán)境適應(yīng)性試驗(yàn)和環(huán)境應(yīng)力篩選等激活多余物的多個(gè)制造環(huán)節(jié)，再進(jìn)行二次振動(dòng)篩選（即使反復(fù)多次篩選）也無(wú)法驗(yàn)證是否存在多余物。因?yàn)?，即使沒(méi)有瞬時(shí)閃現(xiàn)的圓形影像，也未必沒(méi)有動(dòng)態(tài)移動(dòng)的多余物。所以，用振動(dòng)篩選不是有效地控制多余物的方法。

紅外探測(cè)器通過(guò)冷屏孔徑接收視場(chǎng)內(nèi)景物輻射成像。如果杜瓦瓶真空空間存在殘留或脫落多余物微粒，在外力擾動(dòng)激勵(lì)下微粒掠過(guò)視場(chǎng)遮擋景物輻射，出現(xiàn)瞬時(shí)閃現(xiàn)的黑斑、白斑、黑點(diǎn)、白點(diǎn)等異常陰影成像現(xiàn)象。在8847幀圖像中有超過(guò)200余幀（占比2.26%）可見(jiàn)異常影像，截圖183幀觀察測(cè)量典型“黑斑”所占像元數(shù)如圖2。若微粒的溫度小于或者大于景物的溫度，則微粒在視場(chǎng)限定的投射輻射中出現(xiàn)時(shí)，由于微粒對(duì)視場(chǎng)內(nèi)投射輻射的遮蔽作用，在焦平面陣列上形成投射輻射的倒立陰影像，陰影區(qū)域內(nèi)的像元信號(hào)電壓小于或者大于陰影區(qū)域外的像元信號(hào)電壓。當(dāng)顯示器上顯示灰度比符合人眼對(duì)比度閾值0.02～0.05時(shí)[12]，人眼就能分辨出“黑斑”。如果微粒與景物的溫度和比發(fā)射率近似相同，或者說(shuō)微粒與景物的輻射出射度差別不大即輻射對(duì)比度比較小時(shí)，探測(cè)識(shí)別“黑斑”就很困難。那么微粒遮蔽輻射的影像將消隱在景物的影像背景中。

圖2 宏觀微粒衍射產(chǎn)生圓形“黑斑”

目標(biāo)檢測(cè)跟蹤成像系統(tǒng)出現(xiàn)“黑斑”異常影像，對(duì)點(diǎn)或斑狀目標(biāo)的識(shí)別、跟蹤干擾嚴(yán)重，會(huì)影響系統(tǒng)的檢測(cè)跟蹤性能，尤其影響面積不大于9×9像元的紅外弱小目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別與跟蹤。對(duì)于觀察型系統(tǒng)，這種瞬時(shí)閃現(xiàn)的“黑斑”干擾更加令人討厭，可能會(huì)影響目標(biāo)識(shí)別判斷和下達(dá)錯(cuò)誤指令。多余物碰撞光敏面損毀有效像元，產(chǎn)生的無(wú)效像元以離散或簇的形式隨機(jī)分布在焦平面陣列上，引起空間噪聲干擾，在輸出熱圖像上表現(xiàn)為新產(chǎn)生的亮點(diǎn)或過(guò)亮點(diǎn)無(wú)效像元故障。隨長(zhǎng)時(shí)間使用其數(shù)量會(huì)增加。這種空域噪聲會(huì)影響熱成像系統(tǒng)的最小可分辨溫差和作用距離。多余物使紅外探測(cè)器的某些性能降低或局部故障，能使產(chǎn)品喪失主要功能，造成產(chǎn)品失效、可靠性降低，影響紅外探測(cè)器的使用服役壽命。

2 圓形影像故障機(jī)理分析

2.1 微粒移動(dòng)特性

紅外探測(cè)器在振動(dòng)應(yīng)力作用下，其真空空間內(nèi)壁面上附著的外部進(jìn)入微?；騼?nèi)部產(chǎn)生弱連接微粒，將要受到最小隨機(jī)振動(dòng)輸入均方根加速度RMS的激勵(lì)力和重力作用：

＝(RMS＋) (1)

式中：為作用在微小多余物上的激勵(lì)力；為質(zhì)量；為重力加速度，垂直向上拋射取負(fù)；RMS為隨機(jī)振動(dòng)輸入均方根加速度。當(dāng)隨機(jī)振動(dòng)輸入功率密度譜曲線的輸入均方根加速度為10.89時(shí)，附著在窗口、冷屏和芯片部件壁面上的多余物響應(yīng)均方根加速度的值達(dá)到幾十個(gè)。表1給出金（密度19.32g/cm3）、柯伐（密度8.17g/cm3）和碳化硼（密度2.5g/cm3）小球響應(yīng)均方根加速度RMS＝50時(shí)受到的激勵(lì)力。

費(fèi)米能級(jí)不同的多余物微粒與冷屏、濾光片、杜瓦內(nèi)壁、窗框、窗片、陶瓷基板和芯片接觸時(shí)，電荷會(huì)發(fā)生移動(dòng)，移動(dòng)產(chǎn)生的電二重層形成靜電引力，靜電引力在其界面處形成附著力。當(dāng)兩理想平面接觸時(shí)，假設(shè)介電常數(shù)為8.85×10－12C2/(N×m2)，電荷移動(dòng)數(shù)為1015～1017個(gè)/m2，那么電荷移動(dòng)產(chǎn)生的靜電引力為104～108N/m2[13]。介電常數(shù)小的材料，產(chǎn)生的靜電引力較大。多余物附著表面存在表面粗糙度，并非理想平面，其接觸界面的真實(shí)有效接觸面積很小。假設(shè)小球投影面積的1%是接觸面積，對(duì)應(yīng)接觸界面的圓形直徑、振動(dòng)激勵(lì)力在接觸界面產(chǎn)生的應(yīng)力如表1?？梢钥闯?，直徑10mm的金小球受到6.31×103N/m2容易被拋射出附著壁面，而直徑10mm的碳化硼小球8.17×102N/m2在靜電引力束縛下不容易被拋射出附著壁面。

當(dāng)激勵(lì)力大于附著力時(shí)，多余物在振動(dòng)平衡位置以最大初速度0傾斜拋射運(yùn)動(dòng)離開(kāi)附著壁面，其運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：為初速度0與水平方向（、）的傾斜拋射角，傾斜向上＞0，傾斜向下＜0，垂直（）拋射＝π/2，水平拋射＝0；為水平運(yùn)動(dòng)距離；為垂直運(yùn)動(dòng)距離。由圖3(a)看出，向振動(dòng)激勵(lì)時(shí)，在陶瓷基板、Si讀出集成電路、探測(cè)器芯片、濾光片和鍺（硅）窗片等壁面處的多余物容易發(fā)生水平拋射；對(duì)稱于、向的在冷屏、窗框上的多余物，在向振動(dòng)激勵(lì)下容易發(fā)生垂直拋射，其中－區(qū)域做垂直上拋運(yùn)動(dòng)，＋區(qū)域做垂直下拋運(yùn)動(dòng)，而在向振動(dòng)激勵(lì)下±區(qū)域容易發(fā)生水平拋射運(yùn)動(dòng)。

表1 隨機(jī)振動(dòng)產(chǎn)生的激勵(lì)力與附著力

垂直拋射的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：初速度0＞0為垂直向上拋射，0＜0為垂直向下拋射。當(dāng)初速度0＞0、末速度＝0時(shí)，最大上升高度max、飛掠最大高度的時(shí)間為：

水平拋射時(shí)：

由圖3(c)、(d)看出，隨機(jī)振動(dòng)使得多余物以速度均方根0的初速度垂直或水平拋射，不同初速度下多余物掠過(guò)30mm視場(chǎng)的飛行時(shí)間通常小于50ms。多余物響應(yīng)均方根加速度的速度均方根為：

式中：為振動(dòng)循環(huán)數(shù)每秒（頻率），Hz。由圖3(b)可知，低頻時(shí)的初速度大，高頻時(shí)的初速度小。

2.2 微粒的光學(xué)成像

用幾何光學(xué)理想光線的光路模型，分析多余物對(duì)成像光束的影響。圖4所示為多余物、景物和陰影像大小，以及其相互位置的關(guān)系。景物上某一點(diǎn)源的投射輻射，經(jīng)過(guò)多余物的平行于景物的投影輪廓邊緣，在焦平面陣列上形成多余物的遮蔽陰影區(qū)域，其形狀與前述投影輪廓一致。此被遮擋投射輻射束的邊界是由點(diǎn)源無(wú)彎曲地通向無(wú)窮遠(yuǎn)處的射線，以圍合遮蔽陰影區(qū)域的封閉曲線為導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)形成的錐面，其軸線與焦平面陣列相交的點(diǎn)，就是點(diǎn)源投射輻射通過(guò)多余物后，在焦平面陣列上形成遮蔽輻射陰影的像，并不是一點(diǎn)，而是一個(gè)分布圖樣。由圖4可知，陰影像的大小與點(diǎn)源方位和多余物的大小有關(guān)，由下式計(jì)算：

式中：s￠、p分別為焦平面陣列上投射輻射的衍射像和多余物的幾何大小；為焦平面陣列與景物（圖4(a)所示為視場(chǎng)光闌）的距離；為焦平面陣列與多余物的距離；為橫向放大倍率。

隨多余物與焦平面陣列距離不同，陰影像會(huì)按幾何光學(xué)小孔成像規(guī)律放大或縮小。由多余物、視場(chǎng)光闌、投射輻射束錐面共同約束，在焦平面陣列上形成與視場(chǎng)光闌形狀一致，接近焦平面陣列大小的最大倒立陰影像（圖4(a)）；當(dāng)多余物離開(kāi)產(chǎn)生最大倒立陰影像的位置，向景物一側(cè)靠近，被遮蔽目標(biāo)區(qū)域小于視場(chǎng)光闌限制的區(qū)域，因?yàn)檩S對(duì)稱性，其在焦平面陣列上呈現(xiàn)圓形陰影像，而與多余物、視場(chǎng)光闌的形狀無(wú)關(guān)（圖4(b)）；當(dāng)多余物向焦平面陣列一側(cè)靠近，被遮蔽景物區(qū)域等于視場(chǎng)光闌限制的區(qū)域，倒立陰影像小于焦平面陣列，圖樣與視場(chǎng)光闌形狀一致（圖4(c)）。這個(gè)倒立陰影像是由無(wú)數(shù)多余物的遮蔽陰影像（投射輻射束錐面軸線與焦平面陣列相交的點(diǎn)）集合而成。由幾何關(guān)系得：

式中：s、p、b分別為焦平面陣列上投射輻射的倒立陰影像、多余物和視場(chǎng)光闌的半寬度。

2.3 最小成像微粒的線度

2.3.1 衍射分析

通過(guò)物理光學(xué)分析，多余物p大于紅外探測(cè)器工作波長(zhǎng)的103倍時(shí)，衍射現(xiàn)象不明顯；多余物p是工作波長(zhǎng)的102～10倍時(shí)，衍射現(xiàn)象顯著；多余物p與工作波長(zhǎng)的數(shù)量級(jí)大體一致，衍射現(xiàn)象極端顯著。當(dāng)工作波長(zhǎng)為8～12mm，多余物大于10mm時(shí)，衍射現(xiàn)象不明顯，可按直線傳播處理；多余物小于1mm時(shí)，衍射現(xiàn)象顯著，出現(xiàn)明暗衍射花樣；多余物接近等于或小于工作波長(zhǎng)10mm時(shí)，衍射現(xiàn)象極端顯著，過(guò)渡到散射。在符合菲涅耳近似和夫瑯禾費(fèi)近似的情況下，線度小于1mm的多余物遮蔽陰影像具有如下特點(diǎn)：

(a) 多余物在產(chǎn)生最大陰影像的位置；(b) 多余物在靠近景物的位置；(c)多余物在靠近焦平面陣列的位置

1）點(diǎn)源投射輻射通過(guò)多余物邊緣時(shí)的衍射現(xiàn)象，使得多余物幾何遮蔽陰影像的中心永遠(yuǎn)有投射輻射，可以設(shè)想不透明多余物在光路上的作用相當(dāng)于一個(gè)會(huì)聚透鏡。這個(gè)中央亮點(diǎn)是與工作波長(zhǎng)、多余物的大小和位置相對(duì)應(yīng)的輻射強(qiáng)度占總投射輻射84%的艾里斑[14]，其線度為：

式中：為工作波長(zhǎng)。由式(7)、式(9)得艾里斑對(duì)應(yīng)的多余物的線度和位置關(guān)系為：

當(dāng)＝/2時(shí)，p有極大值。將式(10)代入式(8)得焦平面陣列上倒立陰影像為：

設(shè)像元數(shù)×，像元大小×，則焦平面陣列可接收遮蔽陰影像s最大、最小。當(dāng)多余物恰巧遮擋住衍射花樣的艾里斑，且＝25mm、＝10mm、＝35mm、b＝22.77mm，由式(10)、式(11)求得多余物p＝17.1mm在＝12mm處相對(duì)應(yīng)的倒立陰影像s＝25mm。如果陰影像的面積占到像元面積的一半，像元信號(hào)電壓將有明顯的變化；此時(shí)多余物p＝13.1mm在＝7mm處相對(duì)應(yīng)的倒立陰影像s＝17.7mm。

2）多余物遮擋波陣面上的菲涅耳半波帶個(gè)數(shù)為奇數(shù)時(shí)，衍射花樣中心點(diǎn)為亮點(diǎn)形成“白點(diǎn)或斑”；當(dāng)多余物遮擋偶數(shù)個(gè)半波帶時(shí)，衍射花樣中心點(diǎn)為暗點(diǎn)形成“黑點(diǎn)或斑”。多余物越小，被遮蔽半波帶的數(shù)目就越少，(＋1)為不大的有限值時(shí)，到達(dá)遮蔽陰影中心的輻射越強(qiáng)；多余物越大，它將遮擋更多的半波帶數(shù)目，使得未被遮擋的第(＋1)個(gè)半波帶在陰影中心產(chǎn)生暗點(diǎn)形成“黑斑”。變更多余物與焦平面之間的距離，半波帶的數(shù)目隨之改變，將影響陰影中心的輻射強(qiáng)弱。多余物的線度與半波帶數(shù)目和位置的關(guān)系為[14]：

3）衍射是矢量場(chǎng)，當(dāng)多余物不太靠近焦平面陣列，其線度大于工作波長(zhǎng)很多，可近似按標(biāo)量計(jì)算衍射花樣的場(chǎng)分布。通常＜s2/的近場(chǎng)衍射區(qū)域取菲涅耳近似，＞s2/的遠(yuǎn)場(chǎng)衍射區(qū)域取夫瑯禾費(fèi)近似[7]。工作波長(zhǎng)10mm，多余物小于0.1mm～10mm，且靠近焦平面陣列1mm～10mm以內(nèi)，為菲涅耳衍射區(qū)域。可見(jiàn)，紅外焦平面探測(cè)器組件多余物產(chǎn)生的衍射，大多發(fā)生在夫瑯禾費(fèi)衍射區(qū)域。

2.3.2 散射分析

當(dāng)懸浮多余物的線度與工作波長(zhǎng)差不多時(shí)，散射衰減目標(biāo)物投射輻射能量的空間分布，使得焦平面陣列上像元接收投射輻射的光譜輻射功率減小，其信號(hào)電壓為：

式中：S(,)為有多余物散射衰減時(shí)像元的信號(hào)電壓；()為光程的透射比；(,)為透射輻射的光譜輻射功率[15]：

其中：

式中：()為散射面積比，表示被多余物散射的輻射波前面積與多余物橫截面積之比。

令像元信號(hào)電壓相對(duì)變化比（或相對(duì)電壓對(duì)比度）為：

聯(lián)立式(15)、式(16)，于是：

對(duì)于工作波長(zhǎng)＜15mm的紅外波段，()≈3.8[8]。當(dāng)光程為35mm、多余物的線度為13.9mm時(shí)，人眼就能分辨出“黑斑”。

3 多余物的預(yù)防和控制

按危害程度和潛在質(zhì)量隱患分致命多余物、嚴(yán)重多余物和一般多余物。按加工方法分切削、磨削、焊接、表面處理等多余物。按體積大小分宏觀和微觀多余物。按形態(tài)分固體和氣體多余物。多余物的種類復(fù)雜、分類多樣，對(duì)其產(chǎn)生源頭的控制困難，有必要深入研究、嚴(yán)格控制。例如，在金屬零部件的加工過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生毛刺，毛刺的存在會(huì)影響零件的裝配與使用。當(dāng)加工精度要求較高或是零件尺寸較小時(shí)，毛刺的影響較大。毛刺的形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及到零件材料的大塑性變形，毛刺類型及其特性取決于加工的類型、工藝參數(shù)、刀具屬性、刀具幾何形狀、冷卻潤(rùn)滑條件和工件材料屬性等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在金屬零部件的加工過(guò)程中，去毛刺費(fèi)用占零件制造成本的10%左右，20世紀(jì)末，美國(guó)每年用于去毛刺的費(fèi)用就高達(dá)數(shù)十億美元[16]。非金屬陶瓷零部件的生瓷沖制、疊片和金屬化層等工藝過(guò)程，可能產(chǎn)生瓷粉顆粒、粘接劑粘附等多余物，這些多余物的檢查排除不干凈，真空電氣傳輸饋線環(huán)部件燒成后，腔體內(nèi)殘留弱連接瓷顆粒是潛在的內(nèi)部產(chǎn)生多余物。硅、碲鋅鎘、碲鎘汞、氧化鋁、氮化鋁、碳化硅等硬脆的材料邊緣極易產(chǎn)生隨機(jī)的碎裂損傷，形成的弱連接顆粒即是潛在的內(nèi)部產(chǎn)生多余物，能否準(zhǔn)確掌握破碎損傷規(guī)律和抑制措施的超精密切削加工技術(shù)，正是突破無(wú)硬脆的材料內(nèi)部產(chǎn)生多余物瓶頸的關(guān)鍵所在[17]。

多余物產(chǎn)生的原因包括：設(shè)計(jì)不合理，工藝方法不當(dāng)，工藝經(jīng)驗(yàn)不足，工藝過(guò)程監(jiān)控不力，加工工藝水平低劣，人員素養(yǎng)不高，違反工藝紀(jì)律，多余物的檢查與清理不徹底等。有人為、設(shè)備、材料、管理方法和環(huán)境等因素。多余物的防控需要在產(chǎn)品壽命周期過(guò)程中全程預(yù)防和控制，以預(yù)防為主、全員參與和重點(diǎn)管控的原則，針對(duì)人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)各環(huán)節(jié)，通過(guò)排除、檢查和預(yù)防三結(jié)合的方法，不斷加強(qiáng)生產(chǎn)過(guò)程中多余物的控制、提高設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)水平，才能全面有效地預(yù)防和控制多余物的產(chǎn)生。

組成紅外焦平面杜瓦組件的零部件數(shù)量多，零件形狀以薄壁圓筒（環(huán)）和薄圓或矩形片為主，裝配關(guān)系以軸孔配合、端面貼合的焊接和粘接為主，電氣傳輸以引線鍵合、導(dǎo)電粘接劑加固為主，涉及的工序和工種較多，存在較高的多余物進(jìn)入風(fēng)險(xiǎn)，在組裝過(guò)程中對(duì)多余物的控制要求更為嚴(yán)格。通過(guò)對(duì)組裝各環(huán)節(jié)多余物產(chǎn)生情況的梳理分析，提出多余物的控制措施如下：

1）經(jīng)過(guò)清洗工序清洗組裝前的零部件，大多是兩端敞開(kāi)的薄壁圓筒、薄圓或矩形片，符合可達(dá)性和操作性的工藝要求，便于檢查和排除多余物。運(yùn)用觀察法15×的顯微鏡目視檢查，用吸取、吹除、抓勾、夾取、粘接、拍擊、振動(dòng)、晃動(dòng)等方法排除多余物。經(jīng)過(guò)檢查合格的零部件放置密封傳遞盒中傳遞，避免在傳遞、操作中再次引入多余物。

2）吸氣劑組裝焊接工序加工完成的部件應(yīng)及時(shí)清理焊接飛濺殘留多余物和加工操作侵入多余物。杜瓦瓶主體結(jié)構(gòu)的半封閉性設(shè)計(jì)，是導(dǎo)致多余物易殘留和不易被發(fā)現(xiàn)并排除的原因。組裝焊接工序加工過(guò)程中，對(duì)未加工的開(kāi)敞部位或半封閉零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行防多余物保護(hù)，并及時(shí)清理加工過(guò)程中產(chǎn)生的多余物。

3）陶瓷基板、芯片粘接對(duì)位貼裝工序，應(yīng)對(duì)半封閉杜瓦瓶主體開(kāi)敞部位進(jìn)行遮擋防護(hù)，避免粘接劑、環(huán)境塵埃等多余物進(jìn)入半封閉杜瓦瓶主體內(nèi)。引線鍵合工序，應(yīng)注意清洗劈刀，去除劈刀孔殘留物，保持引線鍵合金屬絲、工具夾等清潔，尾絲不能過(guò)長(zhǎng)（尾絲長(zhǎng)度不超過(guò)2倍引線鍵合金屬絲直徑）。引線鍵合劈刀使用時(shí)間和次數(shù)不能太長(zhǎng)，不能因劈刀有缺陷而導(dǎo)致引線鍵合金屬絲拉傷有毛刺。組裝冷屏前進(jìn)行多余物顯微鏡檢查工序，排除芯片區(qū)域表面附著和嵌入的封裝粘接劑殘留、引線鍵合斷絲殘留和外部進(jìn)入多余物。

4）組裝焊接窗口部件前，對(duì)電氣傳輸饋線環(huán)真空區(qū)域表面、陶瓷基板可視區(qū)域表面、冷屏內(nèi)外表面、窗口部件真空區(qū)域表面進(jìn)行15×的顯微鏡檢查工序，排除工序殘留粘接劑和金屬絲、屑，以及冷屏、窗口部件內(nèi)部或外部產(chǎn)生的多余物。檢查合格的部件放置密封傳遞盒中傳遞至下道激光焊接工序，應(yīng)注意避免侵入焊接工裝產(chǎn)生的外部進(jìn)入多余物，后續(xù)撿漏、抽氣工序必須保證不會(huì)通過(guò)排氣支管由外部進(jìn)入多余物。

4 結(jié)論

多余物的產(chǎn)生溯源到設(shè)計(jì)、制造、使用和環(huán)境。必須重視正確結(jié)構(gòu)、合理選材、環(huán)境適應(yīng)性等必達(dá)要求的設(shè)計(jì)。例如，與設(shè)計(jì)有關(guān)的吸氣劑、表面粗糙度、涂層材料、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度，與制造工藝有關(guān)的零部件涂鍍層附著不牢固、組裝焊接熔渣、襯底和基板碎裂、排氣臺(tái)卡套接頭產(chǎn)生金屬屑等。應(yīng)掌握零部件金屬材料無(wú)毛刺、非金屬材料無(wú)破碎損傷的超精密切削加工技術(shù)和無(wú)飛濺焊接技術(shù)，從生產(chǎn)源頭控制內(nèi)部產(chǎn)生的多余物。應(yīng)建立完善的多余物的檢查排除管理制度，有效地控制內(nèi)部產(chǎn)生和外部侵入的多余物。

空氣中的浮塵，設(shè)備、工裝、工具、工位臺(tái)面和手套附著的不潔凈污染物等環(huán)境影響不能忽視。1個(gè)小到10mm上下的多余物就會(huì)產(chǎn)生“黑斑”。當(dāng)有多個(gè)2.5mm的微粒出現(xiàn)在視場(chǎng)中，一樣會(huì)因散射破壞光場(chǎng)強(qiáng)度分布影響成像質(zhì)量。因此，封裝潔凈工房的潔凈度應(yīng)優(yōu)于ISO7（萬(wàn)級(jí)），以避免空氣環(huán)境中5～10mm的宏觀微粒侵入杜瓦瓶密封腔體內(nèi)。

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Redundant Object Damage and Prevention Method for Infrared Detectors

LEI Yongchang，LI Jianlin，DONG Wei，ZHOU Jiading，HOU Likun，QIAN Kunlun

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

Damage caused by foreign objects is a common risk faced by aerospace and aviation products, which has contributed to many incidents. The dynamic displacement of redundant objects can cause instantaneous circular image failure in infrared (IR) detectors, which interferes with the detection and tracking of small targets with low infrared radiation. Moreover, the dynamic displacement of redundant objects can collide with the infrared focal plane array, causing ineffective pixels and affecting the minimum resolvable temperature difference and operating range of the IR imager. The faulty device must be dismantled step-by-step to eliminate the macroparticles. Electron microscopy was used to test the redundant objects. The source and generation of redundant objects during infrared focal plane array manufacturing and application were determined. Mechanical and optical analyses show that macroparticles can damage the intensity distribution of the imaging beam on the focal plane. The time required for the displacement to pass through the field of view is less than 50ms, the linearity is less than 1 mm, and the diffraction phenomenon is significant. Most of the circular images occurred in the Fraunhofer diffraction area. A fringe diffraction spot is produced if the 10mm redundant object is close to the focal plane array.

quality control, process method, redundant object, infrared detector, dewar flask

TN215

A

1001-8891(2023)07-0790-08

2022-03-25；

2022-05-11.

雷永暢（1990-），男，工程師，主要從事質(zhì)量檢驗(yàn)，過(guò)程控制的工作。E-mail: wwwchang0103@163.com。

李建林（1963-），男，高級(jí)工程師，主要從事紅外探測(cè)器封裝技術(shù)、真空獲得技術(shù)、環(huán)境工程、可靠性和性能評(píng)價(jià)方面的研究。在封裝杜瓦產(chǎn)生真空以及真空壽命、出氣速率、熱負(fù)載測(cè)量等設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)領(lǐng)域有深入的研究和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，涉獵高屏蔽效率冷屏蔽罩設(shè)計(jì)、黑體輻射源設(shè)計(jì)、焦平面陣列壽命評(píng)估及像元失效研究等。E-mail：lijianlin12@21cn.com。