红外探测器组件可靠性保证技术

2014-12-31朱美光钱秋瑛

上海航天 2014年4期

朱美光，钱秋瑛，王佳

（1.上海航天技术基础研究所，上海 201109；2.上海航天技术研究院，上海 201109）

0 引言

红外热像仪在医学、军事、航天等领域有广泛应用。作为二代红外焦平面探测器件的代表，碲镉汞长线列红外焦平面探测器组件主要用于卫星对地观测红外系统，是高轨、中低轨卫星、载人航天等系统中红外遥感系统的核心器件。整个组件集光、机、电等尖端技术于一体。碲镉汞长线列红外探测器组件的结构复杂，涉及技术面广，价贵量少，其可靠性研究的技术难度较大。目前，国外针对HgCdTe红外探测器组件的可靠性研究主要集中于失效模式的充分暴露和分析，环境适应性的试验和研究、可靠性评价方法研究，以及可靠性水平的广泛调查，如Honeywell公司的碲镉汞红外探测器组件可靠性技术和失效物理试验计划，Sofradir公司针对红外探测器组件的开展MTTF评估；国内碲镉汞红外探测器组件研制起步较晚，对可靠性保证技术的研究不多。本文对红外探测器组件可靠性保证技术进行了分析。

1 影响红外探测器组件固有可靠性因素

碲镉汞长线列红外焦平面探测器组件结构如图1所示。碲镉汞超长线列红外焦平面探测器组件典型结构主要由杜瓦、焦平面芯片（光敏芯片、读出电路）、制冷机（制冷压缩机、制冷膨胀机）等组成。其工作原理是无限远处发射的红外线光信号通过光敏芯片转换为电信号，由读出电路进行积分放大，采样保持，由输出缓冲和多路传输系统送至成像系统，斯特林制冷机降低背景温度，以形成高质量图像。

组件中各部分的功能性能不同，可靠性贯穿了整个研制过程。

图1 超长线列红外焦平面探测器组件结构Fig.1 Structure of HgCdTe ultra－long infrared detector arrays infrared focal plane assembly

长线列碲镉汞红外焦平面探测器组件的装载面负载较重，为达到所需的力学强度，一般采用增加支撑柱截面积的方法，但截面积的变大会导致支撑结构漏热增加，另外当受X、Y方向力作用时，装载面的扰度和倾斜角相对较大，难以保证探测器始终位于光学系统焦面的允许误差范围内。因此，探测器组件装载面支撑结构的设计和实现直接决定了组件的可靠性。

长线列碲镉汞红外焦平面探测器组件一般由多个子模块利用高精度无盲元直线对准子模块镶嵌技术组装而成。若探测器组件外引功能线的布线设计不合理，会增加微型杜瓦的热负载，同时也加大装载面电极制备工艺的难度，降低组件可靠性。

焦平面芯片作为整个组件的核心功能部分，设计和加工过程中涉及多个技术难题。且工艺尚不成熟。如HgCdTe材料和器件的工艺难以控制，用于器件设计的参数离散大，产品性能离散度大；碲镉汞（HgCdTe）材料和器件研究相对落后，外购材料和外协技术控制和验收手段非常有限；钝化层失效、铟柱互连失效，以及芯片的均匀性导致焦平面芯片的成品率非常低。所有这些造成红外探测器的技术状态和可靠性存在较大的不确定性，不便于型号选用。

斯特林制冷机因制冷量大、制冷时间短、制冷温度可控范围大、安装灵活，以及地面试验方便等，成为星载机械制冷机中的优秀代表，在空间应用中发挥越来越重要的作用。但其缺点是振动干扰较大、存在电磁干扰、功耗较大、工作寿命有限，以及制冷机工作效率会随使用时间增长而逐渐降低。国外大量的试验和研究资料表明，星载斯特林制冷机的失效原因主要有泄露、磨损、弹性疲劳、污染，以及冲击对结构造成的损伤等。斯特林制冷机的可靠性很大程度取决于设计、加工以及装配等生产过程。

综合上述分析可发现，碲镉汞长线列红外焦平面探测器组件集光、机、电等尖端技术于一体，影响其固有可靠性的因素包括组件的结构设计、材料选择和工艺控制等，贯穿于组件的整个研制过程。

2 空间环境对红外探测器组件可靠性影响

与其他应用背景相比，应用于卫星系统的探测器组件将经历地面、空中、空间的各种自然环境。组件将面临来自空间环境中的真空应力、机械应力、温度应力和电磁辐射等影响。

杜瓦由于其特殊结构和功能特性，电、磁、振动对杜瓦与制冷机、光学系统等的耦合产生较大的影响，从而对探测器造成干扰。

与此同时，空间环境对焦平面芯片的性能和可靠性也产生极大的影响。大量国内外研究发现空间辐射不仅对焦平面芯片中的光电材料产生电离损伤，而且还将对焦平面芯片中读出电路产生总剂量效应，即焦平面芯片的结构和性能面临空间应用环境中辐射带来的考验。组件在太空中运行，卫星均处于低气压乃至真空状态，杜瓦组件密封性影响了杜瓦组件的应用可靠性和卫星的使用寿命。空间环境的温差剧变，若不同材料（如芯片和粘接芯片的粘接材料，子模块结构中采用的不同材料）间的温度膨胀系数相差较大，可能导致材料结合处或某种材料的碎裂，造成组件的失效。

此外，目前限制我国斯特林制冷机工程应用的主要原因是制冷机的工作寿命和可靠性，以及冷头的振动和电磁干扰等。空间环境中的力学环境、热学环境、电（磁）环境、辐射环境等因素对斯特林制冷机的工作寿命和可靠性的影响尤为突出。

从以上可发现，空间环境的恶劣性如高温、温度剧变、真空压力、核辐射、电磁辐射等，使组件的功能、性能及可靠性都面临严峻的考验。目前，在国内对红外焦平面探测器组件可靠性的考核主要是对性能进行考核试验，而对其耐环境适应性及可靠性评价等的考核有限，缺乏针对空间应用环境可能造成的失效模式开展相关的失效分析和研究。

3 探测器组件可靠性提高

针对红外焦平面探测器组件面临的空间环境挑战及可靠性研究现状，为提高探测器组件可靠性，应分阶段提高其可靠性。

a）提高组件固有可靠性

固有可靠性是可靠性的根本保障，为提高红外探测器组件的可靠性，需提高其固有可靠性，而这贯穿了探测器组件的结构设计、材料选择和工艺优化等整个研制过程。

目前组件普遍存在成品率低、工艺稳定性差、参数指标一致性不好等问题。对此，应分析和研究研制过程中的问题，进行改进，同时充分利用原始数据进行定性和定量的分析，找出可能的规律。此外，还应对组件的失效模式及失效机理进行研究，针对主要失效模式采取相应的改进措施，以提高组件固有可靠性。

从红外探测器组件目前的研制和使用来看，铟柱互联失效，光敏元性能退化、探测器电应力失效，温度应力导致的材料蠕变失效，以及子模块的裂片失效、组件的总剂量辐照效应为组件的主要失效模式。对铟柱互联失效，可采用铟柱回熔倒焊技术，提高铟柱结合力，降低失效率发生概率；对子模块温度循环应力导致的失效，可采用芯片衬底减薄技术等提高可靠性，同时在子模块温度循环筛选试验中采用加严的低温循环冲击，合适的高温烘烤温度与时间等方法，有效剔除早期失效的子模块；对探测器组件的总剂量辐照效应，可用材料筛选、器件工艺和筛选，以及组件结构等方法进行抗辐射加固，并结合采用不同的退火或高温烘烤条件与辐射后组件性能恢复关系的研究，采用预辐射和退火方法进行组件的抗辐射加固。

b）提高组件使用可靠性

组件成型后，为提高使用可靠性，应在使用前根据组件的技术特点及应用背景进行组件的可靠性评估。

红外探测器组件可靠性评估过程中，应针对不同型号应用环境要求，明确不同型号对组件的共性与特殊要求。在此基础上，设计合理的可靠性评估试验，对组件的技术状态进行摸底和评估。长线列红外探测器组件的结构非常复杂，且属于典型的价贵量少器件，故可靠性评估中制定合理的可靠性评估方案尤为重要。对红外探测器组件，破坏性摸底试验的重点是组件的核心功能部分即子模块。针对模块开展结构分析评价子模块及组件结构的合理性，并作针对性改进。此外，对子模块还应开展极限评估试验及抗辐射能力评估试验，以掌握子模块及整个组件的应用边界条件，为探测器组件制定合理的筛选试验和条件提供数据支持，同时指导用户合理地使用组件。对整个红外探测器组件，主要进行系统功能性能检测、稳定性评估、成像功能评估，以组件的可用度和成熟度评价。

c）关注使用中关键技术

作为集光、机、电为一体的高端技术产品，红外探测器组件在使用中也有其特有的使用要求。只有在正确的使用条件下，才能避免人为因素带来的额外失效，提高组件的可靠性。

作为一个结构中集成有大量光学滤光片以及多个子模块拼接而成的超长线列，某种程度的振动是其薄弱环节。因此，红外探测器组件运输过程应避免激烈的振动。探测器组件中的读出电路采用了标准CMOS集成电路工艺，是一类静电放电敏感的芯片，安装使用过程中严格采用防静电措施（尤其是在接触组件的输入输出引线处严禁直接用手接触）；保证接口的正确性；严格按组件产品说明书中给定的上电顺序进行上电；开机过程中应采取防护措施避免制冷机过电应力损伤；制冷型红外探测器需在规定的温度条件下工作，工作过程中应严密监控电控箱的状态，以保证芯片所需的工作温度，关机后等温度回升后再移动，以免组件里外冷热不平衡造成额外的失效。

d）建立组件实际宇航应用信息库

航天用户作为组件的最终使用方，掌握了珍贵的组件应用第一手资料，但目前这些资料并未得到很好地分析和总结。应建立组件实际宇航应用信息库，并对应用数据进行分析和研究，为提高组件的可靠性提供针对性的建议。