基于制冷型探测器的低热耗薄膜导电带研究

李 冉，黄一彬，董 黎，杨秀华，何江玲



基于制冷型探测器的低热耗薄膜导电带研究

李 冉，黄一彬，董 黎，杨秀华，何江玲

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

对制冷型探测器热负载的影响因素进行研究。针对内引线热传导这一主要因素进行深入探讨，提出了以聚酰亚胺薄膜为基底材质的柔性导电带方案，并给出了该柔性导电带详细制备技术参数。经检测和使用验证，该低热耗薄膜导电带可以在80K制冷型探测器中实现可靠电信号连接，对降低制冷型探测器热负载贡献明显。

聚酰亚胺；制冷型探测器；导电带；低热耗薄膜；破坏性拉力

0 引言

热成像技术经过近30年的发展，在各领域得到广泛的应用。红外探测器是热成像的核心部件，随着国防科技的快速发展，红外产品在各类军事装备中的应用日益凸显，红外探测器在火控观瞄、导航、制导、侦察、告警、光电对抗等方面的应用越来越广泛。

根据不同的应用领域，可以选择非制冷型焦平面探测器和制冷型焦平面探测器（亦称为焦平面杜瓦）。制冷型探测器因为具有较高的探测率和远距离探测、识别性能在热成像高端产品中占据核心位置，但因其需要提前制冷到工作温度点而影响到开机启动时间。为满足制冷型探测器快速启动的要求，本研究基于减少热传导、降低热辐射和隔绝热对流是获得良好绝热性能这一核心技术，针对减少杜瓦内引线热传导展开研究。通过理论分析、方案实施，获得一种可用于杜瓦真空低温工作条件下的低热传导薄膜导电带，经使用验证该薄膜导电带对降低杜瓦热负载减小探测器启动时间贡献明显。

1 原理方案

1.1 热学性能分析

制冷型探测器用杜瓦最重要的热学指标是热负载[1]，热负载定义为杜瓦无功损耗制冷量的大小。要在高真空状态下保持内部的低温环境，必须控制杜瓦的热负载指标，即必须控制杜瓦内部热量的传递。

热量的传递有3种方式：传导、辐射和对流。

1.1.1 热传导计算公式

根据傅里叶定律：

根据式(1)可计算出杜瓦的热传导损耗。

1.1.2 热辐射计算公式

根据斯忒藩-玻尔兹曼定律：

热辐射＝4(2)

式(2)是一个黑体辐射公式，对非黑体、同轴圆筒结构且夹层双方材料不同的杜瓦，则实用的计算公式为：

式中：为斯忒藩-玻尔兹曼系数，＝5.71×10－12W×cm－2×K－4；为辐射体表面积，cm2；1、2分别为材料1、2的辐射系数，无量纲。

根据公式(3)可计算出杜瓦真空腔体内外壁之间的热辐射损耗。

1.1.3 关于对流

气体的对流主要是依靠气体分子间的相互碰撞实现的。在气体中，一个分子接连两次碰撞之间的平均路程称为气体分子的平均自由程。

根据克劳修斯公式：

式中：为分子平均自由程，cm；为单位体积中的分子数，cm－3；为分子直径，cm。

根据＝，将公式(4)改写成：

式中：为压强，mbar；为温度，K；为玻尔兹曼常数，J/K。

由于杜瓦内部是真空环境，热对流可以忽略不计，因此，杜瓦的热负载由热传导损耗和热辐射损耗组成。

1.2 理论分析

杜瓦是一个中轴对称的圆筒状结构，如图1所示，根据杜瓦真空腔体的尺寸可计算出辐射面积，根据公式(4)计算出热辐射损耗。

内管热传导损耗可根据杜瓦内管的壁厚及内管有效绝热长度，按公式(2)可计算出内管热传导损耗。本研究针对互联引线热传导，热辐射损耗以及内管热传导在此不再累述。

目前绝大部分焦平面杜瓦均选用金丝，导热系数317.9W×m－1×K－1，作为互联引线丝材。根据互联引线的直径和有效引线长度，按公式(1)计算出单根5mm引线热传导损耗约为1mW，按照每个焦平面杜瓦中需要40根互联引线计算可知互联引线热耗约40mW。根据公式(2)可知，如果互联引线的直径足够细（截面积足够小）且有效长度足够长，那么该互联引线的热传导损耗可忽略，但事实上由于焦平面杜瓦结构尺寸以及相关工艺技术等条件的制约，互联引线热传导损耗是焦平面杜瓦热负载的主要贡献之一。

图1 杜瓦内引线互联示意图

1.3 理论设计

借鉴薄膜生长[2]工艺特点，在耐低温材料聚酰亚胺[3]薄膜上沉积金属理论上可以获得纳米厚度的金属层，通过光刻技术可获得任意图形的线路，获得极小的引线截面积。由于聚酰亚胺基材对光刻图线起到良好的支撑作用，导线长度可以做到互联引线长度的4倍以上，达到50mm，因此可以通过热传导公式：

计算得到薄膜导电带的热传导能耗可以有效减少3/4。

考虑到聚酰亚胺的热传导系数仅为0.12W×m－1×K－1是金热传导系数的3.8×10－4倍，因此相较金丝引线而言聚酰亚胺薄膜本身热传导能耗也很小。

根据上述理论分析对聚酰亚胺薄膜导电带设计如下（导电带布线图如图2所示）：

1）聚酰亚胺薄膜：厚度0.12mm，长度40mm，宽度10mm，每片薄膜上制备20根金线；

2）金属导线材料Au：厚度1000Å，长度40mm，刻蚀后线条宽度0.1mm。

图2 薄膜导电带布线图

根据上述设计参数计算可知：聚酰亚胺薄膜热耗约0.3mW，每个金线条热耗约0.4mW。若按照每个焦平面杜瓦需要40根内部引线计算，薄膜导电带的热耗仅约15mW。

2 设计方案的实现

在聚酰亚胺薄膜表面首先溅射[4]100Å钛，以增加金属薄膜与聚酰亚胺基底之间的附着力，再沉积1000Å金；按照布线设计刻蚀[5]出所需布线图案；按照薄膜导电带外形尺寸进行薄膜打孔、切割，最终获得聚酰亚胺薄膜导电带。

3 测试结果分析

3.1 金属电极焊接牢固性能测试

对多片聚酰亚胺导电带进行电极焊接牢固性能测试，测试方式为：在电极的任意位置上金丝球焊[4]10个焊点，分别对焊点进行破坏性拉力测试[5]，获得焊点可承受最大破坏力。

表1中给出了4片聚酰亚胺薄膜导电带电极焊点的测试结果。

根据表1给出最大拉力点承受最大拉力数据表中数据可以绘出拉力测试结果分布图，如图3所示。

薄膜导电带电极的平均承受拉力大于5.5g，最小承受拉力大于4g且承受拉力呈均匀分布趋势。在后续的工艺改进中，譬如优化金属薄膜磁控溅射工艺，对改善焊点牢固性能依然有提升的空间。

3.2 电极间电学性能测试

在36V电压下测试线间阻抗大于10MW，线条导通电阻小于0.5W。

3.3 热耗测试

采用静态热耗测试方法[6]分别对采取聚酰亚胺薄膜导电带互联和金丝互联的同一型号杜瓦进行静态热耗测试。采用薄膜导电带互联的杜瓦其静态热耗值约为100mW左右；采用金丝互联的杜瓦其热耗值约为130mW左右。由此可见，聚酰亚胺薄膜导电带对降低杜瓦热负载的贡献明显。

表1 焊点承受最大拉力数据表

图3 焊点拉力测试结果分布图

4 结论

采用了聚酰亚胺薄膜上生长金属薄膜制备的导电带具有低温下良好的柔韧性和电学性能，经实际应用验证该薄膜导电带能够有效降低焦平面杜瓦热负载，具有良好的应用前景。

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Researchon Conduction Band of Low Thermal Consumption Film Based on the Cooled Detector

LI Ran，HUANG Yi-Bing，DONG Li，YANG Xiu-hua，HE Jiang-lin

（，650223，）

The influence factors of thermal load of FPA detector was studied. Based on the main heat conduction factors, a scheme using polyimide film as flexible cable has been put forward and technology parameters have been given. This kind of thin-film-connector was verified by test and usage. It can be used in cooling detector at 80K temperature well to make electrical connections reliable. It also contributes to reduce the cooled detector thermal load.

polyimide，cooled detector，thin film flexible cable，low thermal consumption film，destructive tension

TN305

A

1001-8891(2015)03-0193-03

2014-04-25；

2014-12-23.

李冉（1975-），男，硕士研究生，高级工程师，主要从事红外探测器杜瓦封装及制造技术研究。