百万像素中波红外焦平面组件研制

喻松林 朱西安 周立庆 王成刚 孙浩 康键

（华北光电技术研究所，北京 100015）

百万像素中波红外焦平面组件研制

喻松林 朱西安 周立庆 王成刚 孙浩 康键

（华北光电技术研究所，北京 100015）

中波红外焦平面组件是“高分四号”卫星凝视相机红外成像通道的核心器件。为满足航天型号应用要求，华北光电技术研究所项目团队立足国内技术基础，采用主流的红外焦平面组件技术路线，突破了高均匀性中波红外材料制备、百万像素中波探测器芯片加工、超大规模读出电路设计、高密度铟柱阵列倒装互连、大冷头尺寸微型杜瓦封装等关键技术，研制了像元数为1 024×1 024的百万像素大面阵中波红外焦平面组件，对大面阵中波红外焦平面组件的像元响应一致性、航天环境适应性、可靠性等进行了优化设计，并进行了地面测试和试验验证。中波红外焦平面组件的噪声等效温差达到21.4mK、有效像元率优于99%，经过高温70℃条件下1 500h长期存储和12 000次开关机温度冲击等试验后性能稳定。测试和试验结果表明：像元数为1 024×1 024中波红外焦平面组件产品的性能、环境适应性和可靠性满足技术要求。

百万像素 中波 红外焦平面 优化 “高分四号”卫星

0 引言

“高分四号”卫星是高分辨率对地观测重大专项规划的、工作于地球静止轨道的高分辨率对地观测卫星，星上装载了一台凝视相机，相机包括50m地面像元分辨率的可见光近红外成像通道和400m地面像元分辨率的中波红外成像通道。为满足“高分四号”卫星中波红外成像通道的高分辨率成像和高稳定性、高可靠性、长寿命在轨工作等要求，华北光电技术研究所立足国内技术基础，开展了像元数为1 024× 1 024中波红外焦平面组件工程研制，这是国产百万像素中波红外焦平面组件首次应用于航天工程项目。

百万像素中波红外焦平面组件的像元数为1 024×1 024，是第三代红外焦平面组件的典型产品，国际上仅美国、法国、英国、以色列等国家的相关公司掌握了这一产品的研制技术，但对我国采取严格禁运措施。为满足“高分四号”卫星红外成像通道的技术要求，在国家重大科技专项的支持下，华北光电技术研究所组建了百万像素中波红外焦平面组件研发团队，从2009年开始，开展了关键技术攻关、产品研制、性能优化和地面验证等专项攻关工作。

1 大面阵中波红外焦平面组件研制

在综合分析国际上几种主流大面阵中波红外焦平面组件技术和工艺路线的基础上[1-8]，结合我国现有的技术和工艺基础，确定了“高分四号”卫星工程用百万像素中波红外焦平面组件应采用目前主流的、先进的红外焦平面探测器芯片与硅读出电路倒装互连混成耦合的研制技术路线。其中，探测器材料采用基于液相外延技术生长红外薄膜材料的技术路线，探测器芯片采用平面式光电二极管器件技术路线，探测器读出电路采用自主设计、代工厂外协流片的技术路线，探测器芯片与读出电路通过高精度倒装互连技术进行耦合，采用航天工程专用微杜瓦进行封装，由长寿命大冷量制冷机提供组件制冷，最终获得像元数为1 024×1 024中波红外焦平面组件。同时，通过对高性能抗辐照中波探测器技术、超高密度中波探测器芯片及互连耦合技术、中波红外焦平面组件产品化技术、中波红外焦平面组件环境适应性和可靠性技术开展专题研究，突破中波红外焦平面组件的关键技术，成功研制了各项性能指标合格、产品的环境适应性和可靠性满足航天器各项环境指标要求的百万像素中波红外焦平面组件。

通过中波红外焦平面组件的总体设计和关键技术攻关研究，突破了高均匀性大尺寸中波红外材料制备、百万像素中波探测器芯片工艺、超大规模读出电路设计与抗辐照加固、高密度铟柱阵列倒装互连、大冷头微型杜瓦设计与辐射屏蔽加固技术等多项关键技术和工艺，完成了高性能抗辐照探测器、超高密度百万像素探测器芯片互连耦合、组件产品化、组件环境适应性和可靠性等专题研究，形成了具有自主知识产权的像元数为1 024×1 024中波红外焦平面组件工艺文件及成套工艺，研制了航天级第三代大面阵中波红外焦平面组件，为“高分四号”卫星的研制奠定了坚实的基础。像元数为1 024×1 024中波红外焦平面组件的主要性能如表1所示。

表1 中波红外焦平面组件的主要性能指标Tab.1 The main performance parameters of MW IRFPA

2 大面阵中波红外焦平面组件性能优化

为更好的满足“高分四号”卫星在轨长期高性能、高可靠性工作要求，在突破百万像素中波大面阵红外焦平面组件关键技术、获得性能良好的像元数为1 024×1 024中波红外焦平面组件样品基础上，重点进行了探测器工作谱段、探测器像元响应一致性、探测器长期稳定性等方面的优化。

2.1 中波红外探测器工作谱段优化

为满足对地面目标的高分辨率成像要求，“高分四号”卫星红外成像通道对中波红外工作谱段进行了精细考虑，要求的工作谱段范围为（3.5±0.05）μm～（4.1±0.05）μm。为满足“高分四号”卫星红外成像通道提出的工作谱段精细要求，在探测器组件工程产品研制阶段，对中波红外焦平面组件的工作谱段进行了优选。

根据工作谱段要求，进行了中波红外材料的组分设计和计算[9-16]，选用组份为0.290～0.315的衬底进行中波红外薄膜材料外延生长，可以满足组件谱段范围的要求。通过对基础理论的深入研究，结合大量的工艺实验数据，得出优化后的中波红外衬底材料的锌值为0.04±0.01。

2.2 中波红外探测器像元响应一致性优化

为提高大面阵中波红外焦平面组件的像元响应一致性，进行了中波红外材料缺陷降低和均匀性提升等方面的优化。

从红外晶体材料制备、中波红外材料外延生长等方面采取优化措施，进一步降低材料的缺陷密度，获得高品质的中波红外材料；选择晶格常数匹配的红外材料作为衬底，通过磨抛、化学腐蚀等表面处理工艺，提高衬底表面的平整性和清洁度；通过提高衬底品质、改进外延生长工艺和热处理工艺等来提高外延薄膜材料的生长品质，改善材料的电性能。

同时，为保证百万像素中波红外焦平面组件的像元响应一致性，还进行了中波探测器芯片高均匀性干法刻蚀的优化。

像元数为1 024×1 024中波红外探测器芯片的管芯尺寸为17mm×20mm，存在较严重的干法刻蚀负载效应，引起不同区域刻蚀速率、刻蚀深度的明显差异，使得中波红外探测器芯片大面积刻蚀均匀性、刻蚀深度一致性、刻蚀工艺重复性控制等方面精确控制的难度较大。经过对国际上同类探测器组件刻蚀技术的综合分析[17-18]，采用ICP刻蚀（Inductively Coupled Plasma Etching）工艺，进行了ICP功率、气体配比、反应自偏压、工艺温度等多方面的工艺研究和工艺参数优化，刻蚀图形的刻蚀边缘陡直度与刻蚀一致性满足工艺要求（见图1），工艺优化后的刻蚀图形边缘明显改善（见图2），取得了良好的工艺效果，保证了中波红外探测器芯片的像元响应一致性。

图1 中波红外探测器芯片的干法刻蚀图形Fig.1 Dry etching shape of MW IRFPA chip

图2 工艺优化前后干法刻蚀形貌对比Fig.2 Dry etching shape comparison before and after process optimization

2.3中波红外探测器长期稳定性优化

百万像素中波红外焦平面组件通过高密度铟柱阵列完成中波探测器芯片与硅 CMOS读出电路的倒装互连。由于中波红外探测器芯片阵列规格大，互连后的中波红外焦平面探测器要经过多次300K与77K之间的反复温度冲击，极易因巨大的热失配造成探测器芯片与读出电路之间的铟柱断裂；同时，中波红外焦平面组件经受的随机振动也会造成红外探测器芯片与读出电路在边缘处的互连失效。因此，中波红外探测器芯片与读出电路的互连可靠性对中波红外焦平面组件的长期性能的稳定性至关重要。

在探测器组件工程产品研制阶段，重点进行了中波红外探测器芯片表面平面度控制、高密度互连铟柱成型、互连耦合力学特性优化、底部填充背减薄等方面的工艺优化。通过上述几方面工艺优化，保证了探测器芯片与读出电路的倒装互连成品率和探测器组件的长期可靠性，提高了探测器组件工程产品性能的长期稳定性。

经过探测器组件工程产品研制阶段的优化，探测器组件的性能和长期工作稳定性得到进一步提升。

3 大面阵中波红外焦平面组件地面验证

为满足“高分四号”卫星红外成像通道的长期在轨正常工作要求，充分考核中波红外焦平面组件的工作稳定性与可靠性，按照红外焦平面组件的国军标、《像元数为1 024×1 024中波红外焦平面组件产品详细规范》、《“高分四号”卫星用中波红外探测器组件任务书》等要求，完成了环境适应性试验、长期高温储存试验、连续工作试验和开关机温度冲击试验等地面验证试验，并根据在轨工作任务剖面开展了寿命试验。

3.1 环境适应性试验情况

按照国军标要求，两套像元数为1 024×1 024中波红外焦平面组件（产品编号11003#、11004#）通过了表2所列试验项目的环境适应性试验验证。

3.2 长期高温存储试验情况

按照国军标要求，一套像元数为1 024×1 024中波红外焦平面组件（产品编号11005#）完成了高温70℃、1 500h的高温储存试验，试验前后探测器组件的主要技术指标测试情况见表3。

从长期高温储存试验前后的主要性能参数测试对比看，中波红外焦平面组件经过高温70℃、1 500h长期储存后，性能稳定。

表2 像元数为1 024×1 024中波红外焦平面组件的环境适应性试验结果Tab.2 The test results of environmental adaptability of 1 024×1 024 pixels MW IRFPA

表3 中波红外焦平面组件长期高温存储试验情况Tab.3 The test results of 70℃ long-term storage of MW IRFPA

3.3 试验情况

按照国军标和产品详细规范要求，一套像元数为1 024×1 024中波红外焦平面组件（产品编号11006#）进行了连续工作寿命试验，试验条件为：环境温度 23℃±5℃，制冷温度 80±4K下，制冷机输入电压为15.5V±0.3V，探测器组件持续加电，连续工作2 000h。试验前后探测器组件的主要技术指标测试情况见表4。

从2 000h连续工作试验前后的主要性能参数测试对比看，中波红外焦平面性能稳定。

表4 中波红外焦平面组件连续工作试验情况Tab.4 The test results of continuous operation of MW IRFPA

3.4开关机温度冲击试验情况

根据中波红外焦平面组件的工作特点，对一套像元数为 1 024×1 024中波红外焦平面组件开展了12 000次开关机温度冲击试验，并测试试验过程中中波红外焦平面组件的有效像元率，对比分析有效像元率的变化情况，试验条件为：高温23℃±5℃（环境温度），低温80±4K（制冷温度），高温和低温时各加电工作15min。从12 000次开关机试验前后探测器组件有效像元率测试对比图（图3）可以看出，试验前后探测器失效像元数量及分布变化极小。

图3 12 000次开关机温度冲击试验前后盲元变化对比Fig.3 The Non-operability comparison before and after 12 000 times On-Off and temperature shock experiment of 1 024×1 024 pixels MW IRFPA

另外，通过分析研究在轨工作任务剖面，结合中波红外焦平面组件的工作特点和可能的主要失效模式，制定了地面寿命试验方案，选取三套与正样组件同设计、同工艺的中波红外焦平面组件，进行以下几方面地面寿命试验：

1）探测器加断电不少于35 919次；

2）探测器累计通电不小于9 913h；

3）开关机温度冲击循环次数不少于493次。

通过上述试验项目，对像元数为1 024×1 024中波红外焦平面组件进行累积通电、开关机温度冲击、累积加断电等试验，进一步积累了地面寿命数据。

4 结束语

在国家重大科技专项的支持下，按照“高分四号”卫星红外成像通道的应用要求，通过关键技术攻关和产品研制及性能优化，首次在国内研制出满足具有抗辐照能力的像元数为1 024×1 024中波红外焦平面组件产品，并完成了地面性能测试、地面环境适应性及可靠性等试验，组件产品表现出良好的性能、长期稳定性和可靠性。

同时，在国家重大科技专项的支持和“高分四号”卫星型号的牵引下，形成了完整的百万像素中波红外焦平面组件研发平台，为开展其它大面阵红外焦平面组件的研制奠定了良好基础。

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Development of Middle Wave IRFPA with Million Pixels

YU Songlin ZHU Xi’an ZHOU Liqing WANG Chenggang SUN Hao KANG Jian

（North China Research Institute of Electro-optics, Beijing 100015, China）

The middle wave infrared focal plane assembly (IRFPA) is the core detector for the infrared imaging channel in the staring camera of the GF-4 satellite. In order to fully meet the application requirements, the project team of NCRIEO adopted the mainstream IRFPA technical route to carry out the research on the large format middle wave IRFPA. Breakthroughs have been achieved in key technologies including high uniformity middle wave IR material preparation, million pixels middle wave IR chip processing, ultra large format ROIC design, high density Indium array flip chip bonding, and large capacity micro dewar sealing. Million pixels large array middle wave IRFPA with 1 024×1 024 pixels are developed. An optimied design is made to improve the responsive uniformity, space environmental adaptability and reliability of the large array middle wave IRFPA, which has been tested and experimentally verified on the ground. The NETD of the middle wave IRFPA is as low as 21.4mK. The operability is better than 99%. The performance proves to be stable after 1 500h storage under 70℃ and 12 000 times On/Off temperature shock test. The results of the test and experiment indicate that the performance as well as the environmental adaptability and reliability of the 1 024×1 024 middle wave IRFPA fully complies with the technical requirements.

million pixels; middle wave; infrared focal plane array; optimization; GF-4 satellite

TP732.2

: A

: 1009-8518(2016)04-0059-07

10.3969/j.issn.1009-8518.2016.04.008

喻松林，男，1966年生，1988年毕业于华中科技大学，硕士，研究员。主要研究方向为光电技术与图像处理。E-mail: yusir8511@sina.com。

（编辑：庞冰）

2016-06-06

国家重大科技专项工程