百萬像素中波紅外焦平面組件研制

喻松林 朱西安 周立慶 王成剛 孫浩 康鍵

（華北光電技術研究所，北京 100015）

百萬像素中波紅外焦平面組件研制

喻松林 朱西安 周立慶 王成剛 孫浩 康鍵

（華北光電技術研究所，北京 100015）

中波紅外焦平面組件是“高分四號”衛星凝視相機紅外成像通道的核心器件。為滿足航天型號應用要求，華北光電技術研究所項目團隊立足國內技術基礎，采用主流的紅外焦平面組件技術路線，突破了高均勻性中波紅外材料制備、百萬像素中波探測器芯片加工、超大規模讀出電路設計、高密度銦柱陣列倒裝互連、大冷頭尺寸微型杜瓦封裝等關鍵技術，研制了像元數為1 024×1 024的百萬像素大面陣中波紅外焦平面組件，對大面陣中波紅外焦平面組件的像元響應一致性、航天環境適應性、可靠性等進行了優化設計，并進行了地面測試和試驗驗證。中波紅外焦平面組件的噪聲等效溫差達到21.4mK、有效像元率優于99%，經過高溫70℃條件下1 500h長期存儲和12 000次開關機溫度沖擊等試驗后性能穩定。測試和試驗結果表明：像元數為1 024×1 024中波紅外焦平面組件產品的性能、環境適應性和可靠性滿足技術要求。

百萬像素 中波 紅外焦平面 優化 “高分四號”衛星

0 引言

“高分四號”衛星是高分辨率對地觀測重大專項規劃的、工作于地球靜止軌道的高分辨率對地觀測衛星，星上裝載了一臺凝視相機，相機包括50m地面像元分辨率的可見光近紅外成像通道和400m地面像元分辨率的中波紅外成像通道。為滿足“高分四號”衛星中波紅外成像通道的高分辨率成像和高穩定性、高可靠性、長壽命在軌工作等要求，華北光電技術研究所立足國內技術基礎，開展了像元數為1 024× 1 024中波紅外焦平面組件工程研制，這是國產百萬像素中波紅外焦平面組件首次應用于航天工程項目。

百萬像素中波紅外焦平面組件的像元數為1 024×1 024，是第三代紅外焦平面組件的典型產品，國際上僅美國、法國、英國、以色列等國家的相關公司掌握了這一產品的研制技術，但對我國采取嚴格禁運措施。為滿足“高分四號”衛星紅外成像通道的技術要求，在國家重大科技專項的支持下，華北光電技術研究所組建了百萬像素中波紅外焦平面組件研發團隊，從2009年開始，開展了關鍵技術攻關、產品研制、性能優化和地面驗證等專項攻關工作。

1 大面陣中波紅外焦平面組件研制

在綜合分析國際上幾種主流大面陣中波紅外焦平面組件技術和工藝路線的基礎上[1-8]，結合我國現有的技術和工藝基礎，確定了“高分四號”衛星工程用百萬像素中波紅外焦平面組件應采用目前主流的、先進的紅外焦平面探測器芯片與硅讀出電路倒裝互連混成耦合的研制技術路線。其中，探測器材料采用基于液相外延技術生長紅外薄膜材料的技術路線，探測器芯片采用平面式光電二極管器件技術路線，探測器讀出電路采用自主設計、代工廠外協流片的技術路線，探測器芯片與讀出電路通過高精度倒裝互連技術進行耦合，采用航天工程專用微杜瓦進行封裝，由長壽命大冷量制冷機提供組件制冷，最終獲得像元數為1 024×1 024中波紅外焦平面組件。同時，通過對高性能抗輻照中波探測器技術、超高密度中波探測器芯片及互連耦合技術、中波紅外焦平面組件產品化技術、中波紅外焦平面組件環境適應性和可靠性技術開展專題研究，突破中波紅外焦平面組件的關鍵技術，成功研制了各項性能指標合格、產品的環境適應性和可靠性滿足航天器各項環境指標要求的百萬像素中波紅外焦平面組件。

通過中波紅外焦平面組件的總體設計和關鍵技術攻關研究，突破了高均勻性大尺寸中波紅外材料制備、百萬像素中波探測器芯片工藝、超大規模讀出電路設計與抗輻照加固、高密度銦柱陣列倒裝互連、大冷頭微型杜瓦設計與輻射屏蔽加固技術等多項關鍵技術和工藝，完成了高性能抗輻照探測器、超高密度百萬像素探測器芯片互連耦合、組件產品化、組件環境適應性和可靠性等專題研究，形成了具有自主知識產權的像元數為1 024×1 024中波紅外焦平面組件工藝文件及成套工藝，研制了航天級第三代大面陣中波紅外焦平面組件，為“高分四號”衛星的研制奠定了堅實的基礎。像元數為1 024×1 024中波紅外焦平面組件的主要性能如表1所示。

表1 中波紅外焦平面組件的主要性能指標Tab.1 The main performance parameters of MW IRFPA

2 大面陣中波紅外焦平面組件性能優化

為更好的滿足“高分四號”衛星在軌長期高性能、高可靠性工作要求，在突破百萬像素中波大面陣紅外焦平面組件關鍵技術、獲得性能良好的像元數為1 024×1 024中波紅外焦平面組件樣品基礎上，重點進行了探測器工作譜段、探測器像元響應一致性、探測器長期穩定性等方面的優化。

2.1 中波紅外探測器工作譜段優化

為滿足對地面目標的高分辨率成像要求，“高分四號”衛星紅外成像通道對中波紅外工作譜段進行了精細考慮，要求的工作譜段范圍為（3.5±0.05）μm～（4.1±0.05）μm。為滿足“高分四號”衛星紅外成像通道提出的工作譜段精細要求，在探測器組件工程產品研制階段，對中波紅外焦平面組件的工作譜段進行了優選。

根據工作譜段要求，進行了中波紅外材料的組分設計和計算[9-16]，選用組份為0.290～0.315的襯底進行中波紅外薄膜材料外延生長，可以滿足組件譜段范圍的要求。通過對基礎理論的深入研究，結合大量的工藝實驗數據，得出優化后的中波紅外襯底材料的鋅值為0.04±0.01。

2.2 中波紅外探測器像元響應一致性優化

為提高大面陣中波紅外焦平面組件的像元響應一致性，進行了中波紅外材料缺陷降低和均勻性提升等方面的優化。

從紅外晶體材料制備、中波紅外材料外延生長等方面采取優化措施，進一步降低材料的缺陷密度，獲得高品質的中波紅外材料；選擇晶格常數匹配的紅外材料作為襯底，通過磨拋、化學腐蝕等表面處理工藝，提高襯底表面的平整性和清潔度；通過提高襯底品質、改進外延生長工藝和熱處理工藝等來提高外延薄膜材料的生長品質，改善材料的電性能。

同時，為保證百萬像素中波紅外焦平面組件的像元響應一致性，還進行了中波探測器芯片高均勻性干法刻蝕的優化。

像元數為1 024×1 024中波紅外探測器芯片的管芯尺寸為17mm×20mm，存在較嚴重的干法刻蝕負載效應，引起不同區域刻蝕速率、刻蝕深度的明顯差異，使得中波紅外探測器芯片大面積刻蝕均勻性、刻蝕深度一致性、刻蝕工藝重復性控制等方面精確控制的難度較大。經過對國際上同類探測器組件刻蝕技術的綜合分析[17-18]，采用ICP刻蝕（Inductively Coupled Plasma Etching）工藝，進行了ICP功率、氣體配比、反應自偏壓、工藝溫度等多方面的工藝研究和工藝參數優化，刻蝕圖形的刻蝕邊緣陡直度與刻蝕一致性滿足工藝要求（見圖1），工藝優化后的刻蝕圖形邊緣明顯改善（見圖2），取得了良好的工藝效果，保證了中波紅外探測器芯片的像元響應一致性。

圖1 中波紅外探測器芯片的干法刻蝕圖形Fig.1 Dry etching shape of MW IRFPA chip

圖2 工藝優化前后干法刻蝕形貌對比Fig.2 Dry etching shape comparison before and after process optimization

2.3中波紅外探測器長期穩定性優化

百萬像素中波紅外焦平面組件通過高密度銦柱陣列完成中波探測器芯片與硅 CMOS讀出電路的倒裝互連。由于中波紅外探測器芯片陣列規格大，互連后的中波紅外焦平面探測器要經過多次300K與77K之間的反復溫度沖擊，極易因巨大的熱失配造成探測器芯片與讀出電路之間的銦柱斷裂；同時，中波紅外焦平面組件經受的隨機振動也會造成紅外探測器芯片與讀出電路在邊緣處的互連失效。因此，中波紅外探測器芯片與讀出電路的互連可靠性對中波紅外焦平面組件的長期性能的穩定性至關重要。

在探測器組件工程產品研制階段，重點進行了中波紅外探測器芯片表面平面度控制、高密度互連銦柱成型、互連耦合力學特性優化、底部填充背減薄等方面的工藝優化。通過上述幾方面工藝優化，保證了探測器芯片與讀出電路的倒裝互連成品率和探測器組件的長期可靠性，提高了探測器組件工程產品性能的長期穩定性。

經過探測器組件工程產品研制階段的優化，探測器組件的性能和長期工作穩定性得到進一步提升。

3 大面陣中波紅外焦平面組件地面驗證

為滿足“高分四號”衛星紅外成像通道的長期在軌正常工作要求，充分考核中波紅外焦平面組件的工作穩定性與可靠性，按照紅外焦平面組件的國軍標、《像元數為1 024×1 024中波紅外焦平面組件產品詳細規范》、《“高分四號”衛星用中波紅外探測器組件任務書》等要求，完成了環境適應性試驗、長期高溫儲存試驗、連續工作試驗和開關機溫度沖擊試驗等地面驗證試驗，并根據在軌工作任務剖面開展了壽命試驗。

3.1 環境適應性試驗情況

按照國軍標要求，兩套像元數為1 024×1 024中波紅外焦平面組件（產品編號11003#、11004#）通過了表2所列試驗項目的環境適應性試驗驗證。

3.2 長期高溫存儲試驗情況

按照國軍標要求，一套像元數為1 024×1 024中波紅外焦平面組件（產品編號11005#）完成了高溫70℃、1 500h的高溫儲存試驗，試驗前后探測器組件的主要技術指標測試情況見表3。

從長期高溫儲存試驗前后的主要性能參數測試對比看，中波紅外焦平面組件經過高溫70℃、1 500h長期儲存后，性能穩定。

表2 像元數為1 024×1 024中波紅外焦平面組件的環境適應性試驗結果Tab.2 The test results of environmental adaptability of 1 024×1 024 pixels MW IRFPA

表3 中波紅外焦平面組件長期高溫存儲試驗情況Tab.3 The test results of 70℃ long-term storage of MW IRFPA

3.3 試驗情況

按照國軍標和產品詳細規范要求，一套像元數為1 024×1 024中波紅外焦平面組件（產品編號11006#）進行了連續工作壽命試驗，試驗條件為：環境溫度 23℃±5℃，制冷溫度 80±4K下，制冷機輸入電壓為15.5V±0.3V，探測器組件持續加電，連續工作2 000h。試驗前后探測器組件的主要技術指標測試情況見表4。

從2 000h連續工作試驗前后的主要性能參數測試對比看，中波紅外焦平面性能穩定。

表4 中波紅外焦平面組件連續工作試驗情況Tab.4 The test results of continuous operation of MW IRFPA

3.4開關機溫度沖擊試驗情況

根據中波紅外焦平面組件的工作特點，對一套像元數為 1 024×1 024中波紅外焦平面組件開展了12 000次開關機溫度沖擊試驗，并測試試驗過程中中波紅外焦平面組件的有效像元率，對比分析有效像元率的變化情況，試驗條件為：高溫23℃±5℃（環境溫度），低溫80±4K（制冷溫度），高溫和低溫時各加電工作15min。從12 000次開關機試驗前后探測器組件有效像元率測試對比圖（圖3）可以看出，試驗前后探測器失效像元數量及分布變化極小。

圖3 12 000次開關機溫度沖擊試驗前后盲元變化對比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，通過分析研究在軌工作任務剖面，結合中波紅外焦平面組件的工作特點和可能的主要失效模式，制定了地面壽命試驗方案，選取三套與正樣組件同設計、同工藝的中波紅外焦平面組件，進行以下幾方面地面壽命試驗：

1）探測器加斷電不少于35 919次；

2）探測器累計通電不小于9 913h；

3）開關機溫度沖擊循環次數不少于493次。

通過上述試驗項目，對像元數為1 024×1 024中波紅外焦平面組件進行累積通電、開關機溫度沖擊、累積加斷電等試驗，進一步積累了地面壽命數據。

4 結束語

在國家重大科技專項的支持下，按照“高分四號”衛星紅外成像通道的應用要求，通過關鍵技術攻關和產品研制及性能優化，首次在國內研制出滿足具有抗輻照能力的像元數為1 024×1 024中波紅外焦平面組件產品，并完成了地面性能測試、地面環境適應性及可靠性等試驗，組件產品表現出良好的性能、長期穩定性和可靠性。

同時，在國家重大科技專項的支持和“高分四號”衛星型號的牽引下，形成了完整的百萬像素中波紅外焦平面組件研發平臺，為開展其它大面陣紅外焦平面組件的研制奠定了良好基礎。

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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年畢業于華中科技大學，碩士，研究員。主要研究方向為光電技術與圖像處理。E-mail: yusir8511@sina.com。

（編輯：龐冰）

2016-06-06

國家重大科技專項工程