紅外探測器組件可靠性保證技術

朱美光，錢秋瑛，王 佳

（1.上海航天技術基礎研究所，上海 201109；2.上海航天技術研究院，上海 201109）

0 引言

紅外熱像儀在醫學、軍事、航天等領域有廣泛應用。作為二代紅外焦平面探測器件的代表，碲鎘汞長線列紅外焦平面探測器組件主要用于衛星對地觀測紅外系統，是高軌、中低軌衛星、載人航天等系統中紅外遙感系統的核心器件。整個組件集光、機、電等尖端技術于一體。碲鎘汞長線列紅外探測器組件的結構復雜，涉及技術面廣，價貴量少，其可靠性研究的技術難度較大。目前，國外針對HgCdTe紅外探測器組件的可靠性研究主要集中于失效模式的充分暴露和分析，環境適應性的試驗和研究、可靠性評價方法研究，以及可靠性水平的廣泛調查，如Honeywell公司的碲鎘汞紅外探測器組件可靠性技術和失效物理試驗計劃，Sofradir公司針對紅外探測器組件的開展MTTF評估；國內碲鎘汞紅外探測器組件研制起步較晚，對可靠性保證技術的研究不多。本文對紅外探測器組件可靠性保證技術進行了分析。

1 影響紅外探測器組件固有可靠性因素

碲鎘汞長線列紅外焦平面探測器組件結構如圖1所示。碲鎘汞超長線列紅外焦平面探測器組件典型結構主要由杜瓦、焦平面芯片（光敏芯片、讀出電路）、制冷機（制冷壓縮機、制冷膨脹機）等組成。其工作原理是無限遠處發射的紅外線光信號通過光敏芯片轉換為電信號，由讀出電路進行積分放大，采樣保持，由輸出緩沖和多路傳輸系統送至成像系統，斯特林制冷機降低背景溫度，以形成高質量圖像。

組件中各部分的功能性能不同，可靠性貫穿了整個研制過程。

圖1 超長線列紅外焦平面探測器組件結構Fig.1 Structure of HgCdTe ultra－long infrared detector arrays infrared focal plane assembly

長線列碲鎘汞紅外焦平面探測器組件的裝載面負載較重，為達到所需的力學強度，一般采用增加支撐柱截面積的方法，但截面積的變大會導致支撐結構漏熱增加，另外當受X、Y方向力作用時，裝載面的擾度和傾斜角相對較大，難以保證探測器始終位于光學系統焦面的允許誤差范圍內。因此，探測器組件裝載面支撐結構的設計和實現直接決定了組件的可靠性。

長線列碲鎘汞紅外焦平面探測器組件一般由多個子模塊利用高精度無盲元直線對準子模塊鑲嵌技術組裝而成。若探測器組件外引功能線的布線設計不合理，會增加微型杜瓦的熱負載，同時也加大裝載面電極制備工藝的難度，降低組件可靠性。

焦平面芯片作為整個組件的核心功能部分，設計和加工過程中涉及多個技術難題。且工藝尚不成熟。如HgCdTe材料和器件的工藝難以控制，用于器件設計的參數離散大，產品性能離散度大；碲鎘汞（HgCdTe）材料和器件研究相對落后，外購材料和外協技術控制和驗收手段非常有限；鈍化層失效、銦柱互連失效，以及芯片的均勻性導致焦平面芯片的成品率非常低。所有這些造成紅外探測器的技術狀態和可靠性存在較大的不確定性，不便于型號選用。

斯特林制冷機因制冷量大、制冷時間短、制冷溫度可控范圍大、安裝靈活，以及地面試驗方便等，成為星載機械制冷機中的優秀代表，在空間應用中發揮越來越重要的作用。但其缺點是振動干擾較大、存在電磁干擾、功耗較大、工作壽命有限，以及制冷機工作效率會隨使用時間增長而逐漸降低。國外大量的試驗和研究資料表明，星載斯特林制冷機的失效原因主要有泄露、磨損、彈性疲勞、污染，以及沖擊對結構造成的損傷等。斯特林制冷機的可靠性很大程度取決于設計、加工以及裝配等生產過程。

綜合上述分析可發現，碲鎘汞長線列紅外焦平面探測器組件集光、機、電等尖端技術于一體，影響其固有可靠性的因素包括組件的結構設計、材料選擇和工藝控制等，貫穿于組件的整個研制過程。

2 空間環境對紅外探測器組件可靠性影響

與其他應用背景相比，應用于衛星系統的探測器組件將經歷地面、空中、空間的各種自然環境。組件將面臨來自空間環境中的真空應力、機械應力、溫度應力和電磁輻射等影響。

杜瓦由于其特殊結構和功能特性，電、磁、振動對杜瓦與制冷機、光學系統等的耦合產生較大的影響，從而對探測器造成干擾。

與此同時，空間環境對焦平面芯片的性能和可靠性也產生極大的影響。大量國內外研究發現空間輻射不僅對焦平面芯片中的光電材料產生電離損傷，而且還將對焦平面芯片中讀出電路產生總劑量效應，即焦平面芯片的結構和性能面臨空間應用環境中輻射帶來的考驗。組件在太空中運行，衛星均處于低氣壓乃至真空狀態，杜瓦組件密封性影響了杜瓦組件的應用可靠性和衛星的使用壽命。空間環境的溫差劇變，若不同材料（如芯片和粘接芯片的粘接材料，子模塊結構中采用的不同材料）間的溫度膨脹系數相差較大，可能導致材料結合處或某種材料的碎裂，造成組件的失效。

此外，目前限制我國斯特林制冷機工程應用的主要原因是制冷機的工作壽命和可靠性，以及冷頭的振動和電磁干擾等。空間環境中的力學環境、熱學環境、電（磁）環境、輻射環境等因素對斯特林制冷機的工作壽命和可靠性的影響尤為突出。

從以上可發現，空間環境的惡劣性如高溫、溫度劇變、真空壓力、核輻射、電磁輻射等，使組件的功能、性能及可靠性都面臨嚴峻的考驗。目前，在國內對紅外焦平面探測器組件可靠性的考核主要是對性能進行考核試驗，而對其耐環境適應性及可靠性評價等的考核有限，缺乏針對空間應用環境可能造成的失效模式開展相關的失效分析和研究。

3 探測器組件可靠性提高

針對紅外焦平面探測器組件面臨的空間環境挑戰及可靠性研究現狀，為提高探測器組件可靠性，應分階段提高其可靠性。

a）提高組件固有可靠性

固有可靠性是可靠性的根本保障，為提高紅外探測器組件的可靠性，需提高其固有可靠性，而這貫穿了探測器組件的結構設計、材料選擇和工藝優化等整個研制過程。

目前組件普遍存在成品率低、工藝穩定性差、參數指標一致性不好等問題。對此，應分析和研究研制過程中的問題，進行改進，同時充分利用原始數據進行定性和定量的分析，找出可能的規律。此外，還應對組件的失效模式及失效機理進行研究，針對主要失效模式采取相應的改進措施，以提高組件固有可靠性。

從紅外探測器組件目前的研制和使用來看，銦柱互聯失效，光敏元性能退化、探測器電應力失效，溫度應力導致的材料蠕變失效，以及子模塊的裂片失效、組件的總劑量輻照效應為組件的主要失效模式。對銦柱互聯失效，可采用銦柱回熔倒焊技術，提高銦柱結合力，降低失效率發生概率；對子模塊溫度循環應力導致的失效，可采用芯片襯底減薄技術等提高可靠性，同時在子模塊溫度循環篩選試驗中采用加嚴的低溫循環沖擊，合適的高溫烘烤溫度與時間等方法，有效剔除早期失效的子模塊；對探測器組件的總劑量輻照效應，可用材料篩選、器件工藝和篩選，以及組件結構等方法進行抗輻射加固，并結合采用不同的退火或高溫烘烤條件與輻射后組件性能恢復關系的研究，采用預輻射和退火方法進行組件的抗輻射加固。

b）提高組件使用可靠性

組件成型后，為提高使用可靠性，應在使用前根據組件的技術特點及應用背景進行組件的可靠性評估。

紅外探測器組件可靠性評估過程中，應針對不同型號應用環境要求，明確不同型號對組件的共性與特殊要求。在此基礎上，設計合理的可靠性評估試驗，對組件的技術狀態進行摸底和評估。長線列紅外探測器組件的結構非常復雜，且屬于典型的價貴量少器件，故可靠性評估中制定合理的可靠性評估方案尤為重要。對紅外探測器組件，破壞性摸底試驗的重點是組件的核心功能部分即子模塊。針對模塊開展結構分析評價子模塊及組件結構的合理性，并作針對性改進。此外，對子模塊還應開展極限評估試驗及抗輻射能力評估試驗，以掌握子模塊及整個組件的應用邊界條件，為探測器組件制定合理的篩選試驗和條件提供數據支持，同時指導用戶合理地使用組件。對整個紅外探測器組件，主要進行系統功能性能檢測、穩定性評估、成像功能評估，以組件的可用度和成熟度評價。

c）關注使用中關鍵技術

作為集光、機、電為一體的高端技術產品，紅外探測器組件在使用中也有其特有的使用要求。只有在正確的使用條件下，才能避免人為因素帶來的額外失效，提高組件的可靠性。

作為一個結構中集成有大量光學濾光片以及多個子模塊拼接而成的超長線列，某種程度的振動是其薄弱環節。因此，紅外探測器組件運輸過程應避免激烈的振動。探測器組件中的讀出電路采用了標準CMOS集成電路工藝，是一類靜電放電敏感的芯片，安裝使用過程中嚴格采用防靜電措施（尤其是在接觸組件的輸入輸出引線處嚴禁直接用手接觸）；保證接口的正確性；嚴格按組件產品說明書中給定的上電順序進行上電；開機過程中應采取防護措施避免制冷機過電應力損傷；制冷型紅外探測器需在規定的溫度條件下工作，工作過程中應嚴密監控電控箱的狀態，以保證芯片所需的工作溫度，關機后等溫度回升后再移動，以免組件里外冷熱不平衡造成額外的失效。

d）建立組件實際宇航應用信息庫

航天用戶作為組件的最終使用方，掌握了珍貴的組件應用第一手資料，但目前這些資料并未得到很好地分析和總結。應建立組件實際宇航應用信息庫，并對應用數據進行分析和研究，為提高組件的可靠性提供針對性的建議。

4 結束語

空間惡劣環境對用于星上的紅外焦平面探測器組件提出了苛刻的要求。本文基于紅外探測器組件典型組成部分的結構和技術特點，分析了影響其固有可靠性的因素，同時根據星上應用環境要求，討論了影響組件在星上應用的因素，并提出了相應的解決措施。研究對提高紅外焦平面探測器組件的可靠性有一定的參考意義。

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