非制冷紅外探測器陶瓷封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化及可靠性分析

劉繼偉，王金華，孫俊偉，胡漢林，陳文禮

〈材料與器件〉

非制冷紅外探測器陶瓷封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化及可靠性分析

劉繼偉，王金華，孫俊偉，胡漢林，陳文禮

（煙臺艾睿光電科技有限公司，山東 煙臺 264006）

陶瓷封裝是非制冷紅外探測器最主流的封裝形式，封裝的低成本、小型化和高可靠性是發(fā)展方向。在某款陶瓷封裝探測器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種優(yōu)化結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后成本降低約5%、體積縮小約30%。基于ANSYS Workbench有限元分析軟件，從網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性驗(yàn)證出發(fā)，分析了非制冷紅外探測器陶瓷封裝原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)各組件在10.2隨機(jī)振動環(huán)境和500半正弦波沖擊振動環(huán)境的最大等效應(yīng)力和最大形變，結(jié)果顯示兩種結(jié)構(gòu)均滿足可靠性要求。在此基礎(chǔ)上，本文對優(yōu)化結(jié)構(gòu)紅外窗口的不同材料和不同厚度進(jìn)行了500半正弦波沖擊振動環(huán)境可靠性仿真，結(jié)果表明：0.3mm～1.0mm厚度鍺窗口和硅窗口均滿足可靠性要求，最大等效應(yīng)力和最大形變與窗口厚度呈負(fù)相關(guān)，相同厚度的紅外窗口，硅窗口比鍺窗口可靠性表現(xiàn)更好。本文的研究為非制冷紅外探測器陶瓷封裝形式的后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和仿真計(jì)算提供了參考。

非制冷紅外探測器；有限元；陶瓷封裝；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；可靠性

0 引言

自1978年被提出后，得益于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-Mechanical System, MEMS）的發(fā)展，非制冷紅外探測器在軍事和民用領(lǐng)域取得了較大進(jìn)展。尤其是2019年全球范圍內(nèi)開始爆發(fā)的新冠疫情，加速普及了非制冷紅外探測器在測溫領(lǐng)域的應(yīng)用。相比于制冷型紅外探測器，非制冷紅外探測器的體積和重量明顯降低，然而在某些應(yīng)用場景，比如航天、軍工領(lǐng)域，其體積和重量仍顯不足。受限于封裝成本等因素制約，非制冷紅外探測器的應(yīng)用場景主要為軍用、高端商用等，大部分應(yīng)用環(huán)境較為苛刻，為此，非制冷紅外行業(yè)提出了“低成本、小型化、高可靠性”的探測器發(fā)展方向。目前，非制冷紅外探測器的封裝成本在總成本中占比超過了50%，同MEMS技術(shù)一樣，封裝技術(shù)是制約非制冷紅外探測器發(fā)展的關(guān)鍵因素之一[1-3]。

到目前為止，非制冷紅外探測器的封裝形式主要包括金屬封裝、陶瓷封裝、晶圓級封裝以及近期出現(xiàn)的像素級封裝[4]。相較于其他3種封裝形式，陶瓷封裝能夠使非制冷紅外探測器兼具高性能、低成本、小體積和輕質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，是目前非制冷紅外探測器封裝的主流形式[5]。相較于國內(nèi)，國外非制冷紅外探測器的陶瓷封裝形式發(fā)展較早并且技術(shù)更加成熟。法國Lynred公司推出的PICO640S（像素陣列規(guī)模為640×480）采用了Pin Grid Array的陶瓷封裝形式，其薄膜吸氣劑生長在紅外窗口上，使用可伐框作為緩沖結(jié)構(gòu)[6]。美國DRS公司推出的U6160產(chǎn)品（像素陣列規(guī)模為640×480）采用了Leadless Chip Carriers的陶瓷封裝形式，其薄膜吸氣劑也是直接生長在鍺紅外窗口上，并且采用無可伐框的優(yōu)化結(jié)構(gòu)[7]。國內(nèi)非制冷紅外探測器的陶瓷封裝形式多采用片狀或柱狀吸氣劑，并固定在管殼下表面。究其主要原因是受到國外吸氣劑對國內(nèi)技術(shù)上的限制，以致國內(nèi)產(chǎn)品很難進(jìn)一步減小非制冷紅外探測器陶瓷封裝尺寸和成本。隨著國內(nèi)吸氣劑制備技術(shù)的突破，薄膜型吸氣劑已經(jīng)可以集成在陶瓷封裝的紅外窗口上，這給非制冷紅外探測器向著低成本、小型化的發(fā)展提供了機(jī)會。

針對薄膜型吸氣劑陶瓷封裝的開發(fā)，以某款量產(chǎn)探測器陶瓷封裝結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，提出一種非制冷紅外探測器陶瓷封裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)，基于ANSYS Workbench有限元分析，對原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行隨機(jī)振動分析和隨時間變化的載荷沖擊分析。

1 模型建立

1.1 幾何模型

傳統(tǒng)非制冷紅外探測器的陶瓷封裝形式主要由紅外窗口、可伐框、吸氣劑、管殼、芯片和引腳組件構(gòu)成。圖1展示了某款陶瓷封裝形式的非制冷紅外探測器的原始結(jié)構(gòu)，本文針對該款結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，采用薄膜吸氣劑方案，取消可伐框，使整個探測器的制作成本降低了約5%；同時，由于片狀吸氣劑的取消，整體探測器的寬度由22mm縮減為19mm，可伐框的取消使探測器的高度由8.03mm縮減為6.45mm，體積整體減小約30%，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于可伐框主要在紅外窗口與管殼之間起緩沖作用，可以提升紅外窗口耐受振動和機(jī)械沖擊的能力，結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的陶瓷封裝形式應(yīng)著重研究產(chǎn)品的可靠性。本文基于ANSYS Workbench建立三維有限元模型進(jìn)行可靠性仿真，對比分析了原始結(jié)構(gòu)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)在隨機(jī)振動和隨時間變化的載荷沖擊過程中形變和受力的情況。

圖1 陶瓷探測器原始結(jié)構(gòu)模型

圖2 陶瓷探測器優(yōu)化結(jié)構(gòu)模型

由于本文主要研究原始結(jié)構(gòu)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)在可靠性驗(yàn)證過程中形變和受力情況，因此去除了對分析結(jié)果影響較小的圓角、倒角，并對焊料部分進(jìn)行了一定的簡化，同時對原始結(jié)構(gòu)的吸氣劑部分進(jìn)行簡化，得到三維仿真模型。三維仿真模型的各個組件及探測器整體尺寸參數(shù)如表1所示。

1.2 材料參數(shù)

仿真過程使用ANSYS Workbench軟件，在可靠性分析中建立有限元模型、加載邊界條件與計(jì)算、查看結(jié)果與后處理。仿真過程中各組件的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示。

表1 某款陶瓷紅外探測器優(yōu)化前后各組件及整體尺寸參數(shù)

表2 各組件材料參數(shù)

1.3 網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性驗(yàn)證

由于非制冷紅外探測器是真空封裝，數(shù)值分析過程中紅外窗口上表面和可伐框上表面受到一個大氣壓力，仿真過程中使用Fixed Support邊界條件約束引腳。網(wǎng)格的數(shù)量和質(zhì)量直接影響數(shù)值計(jì)算結(jié)果精度和準(zhǔn)確性，是保證數(shù)值計(jì)算可信度的關(guān)鍵[8]。本文計(jì)算模型劃分四面體網(wǎng)格，比較網(wǎng)格單元數(shù)量與紅外窗口上表面最大等效應(yīng)力的關(guān)系。從圖3中可以看出，網(wǎng)格數(shù)量大于20萬后，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，紅外窗口上表面最大等效應(yīng)力基本不變，考慮劃分網(wǎng)格數(shù)量對計(jì)算結(jié)果的影響和計(jì)算資源的限制，同時考慮網(wǎng)格數(shù)量對紅外窗口上表面最大等效應(yīng)力影響在1%的誤差以內(nèi)，本文對三維仿真模型劃分為53萬網(wǎng)格單元數(shù)量進(jìn)行計(jì)算。

2 可靠性研究

2.1 可靠性仿真條件

大約有三分之一左右的電子器件的失效或故障是由振動引起的。根據(jù)使用環(huán)境的不同，探測器受到的隨機(jī)振動的頻率和振幅也不相同。探測器能夠經(jīng)受不同使用環(huán)境下隨機(jī)振動的強(qiáng)度直接關(guān)系到探測器在不同場景下的穩(wěn)定性。由于隨機(jī)振動十分復(fù)雜，本文采用功率譜密度的分析方法，確定探測器結(jié)構(gòu)對功率譜隨機(jī)載荷的動力響應(yīng)。

圖3 網(wǎng)格數(shù)量無關(guān)性驗(yàn)證

非制冷紅外探測器在使用過程中不可避免地受到隨時間變化的載荷沖擊影響，劇烈的瞬時沖擊會使探測器產(chǎn)生較大的應(yīng)力和形變，進(jìn)而導(dǎo)致探測器的性能下降甚至永久性損壞，因此必須對結(jié)構(gòu)進(jìn)行沖擊響應(yīng)分析。由于沖擊激勵十分復(fù)雜，為方便研究，可以將沖擊激勵處理成具有一定規(guī)則性的響應(yīng)譜形式，比如半正弦波、后峰鋸齒波等。

參照國家軍用標(biāo)準(zhǔn)，對優(yōu)化前后非制冷紅外探測器的陶瓷封裝形式進(jìn)行了兩種最常見的結(jié)構(gòu)動力學(xué)可靠性分析——隨機(jī)振動分析和半正弦波分析[9-10]。隨機(jī)振動分析使用加速度功率譜，頻率范圍從20Hz到2000Hz，加速度的總均方根10.2，代表加速度總均方根值，如圖4所示。半正弦波分析峰值500，持續(xù)時間1ms，三軸六向，每個方向沖擊5次，波形函數(shù)，如圖5所示。

圖4 隨機(jī)振動功率譜曲線

圖5 半正弦波形函數(shù)

2.2 隨機(jī)振動分析

表3總結(jié)了優(yōu)化前后非制冷紅外探測器的陶瓷封裝兩種結(jié)構(gòu)在10.2的隨機(jī)振動環(huán)境下，各組件在、、方向上的3應(yīng)力及形變（3表示符合高斯分布的99.73%的發(fā)生概率）。從表3中可以看出，兩種結(jié)構(gòu)中各組件的最大形變均發(fā)生在方向上，即與紅外窗口垂直的方向上。

在隨機(jī)激勵載荷作用下，探測器各組件的最大形變出現(xiàn)在紅外窗口處，圖6比較了優(yōu)化前后兩種結(jié)構(gòu)的紅外窗口在隨機(jī)激勵載荷作用下的等效應(yīng)力和方向的形變。最大等效應(yīng)力發(fā)生在紅外窗口與下方組件的接觸位置，最大形變出現(xiàn)在紅外窗口的中心位置。取消可伐框之后降低了對窗口的緩沖保護(hù)作用，相較原始結(jié)構(gòu)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)各組件在10.2隨機(jī)振動環(huán)境載荷作用下等效應(yīng)力均有所增加，凹陷變大。盡管如此，優(yōu)化結(jié)構(gòu)依然滿足可靠性要求。材料受外應(yīng)力負(fù)載到一定限度時，即使不增加負(fù)載，材料仍會繼續(xù)發(fā)生明顯的塑性形變，這種現(xiàn)象叫“屈服”，發(fā)生屈服時的應(yīng)力稱為屈服極限，超過這一數(shù)值材料會發(fā)生斷裂。紅外窗口和芯片的主體材料分別為鍺和硅，兩種材料的屈服極限分別為115MPa[11]和7000MPa[12]。原始結(jié)構(gòu)和優(yōu)化結(jié)構(gòu)所受的最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限，完全滿足可靠性要求。仿真結(jié)果表明優(yōu)化后探測器能夠通過環(huán)境試驗(yàn)條件要求的隨機(jī)振動試驗(yàn)，探測器設(shè)計(jì)滿足10.2載荷條件下的隨機(jī)振動可靠性要求。

表3 各組件隨機(jī)振動計(jì)算結(jié)果

2.3 機(jī)械沖擊分析

采用模態(tài)疊加法，驗(yàn)證了非制冷紅外探測器陶瓷封裝兩種結(jié)構(gòu)在承受國軍標(biāo)要求的500半正弦波沖擊振動環(huán)境后的影響。如圖7(a)、(b)、(c)所示，探測器各組件在、、三個方向上最大等效應(yīng)力和最大形變均發(fā)生在方向上。考慮到紅外窗口是探測器最容易失效的組件，紅外窗口受到最大等效應(yīng)力為3.05MPa，遠(yuǎn)小于紅外窗口的屈服極限115MPa。

在500半正弦波沖擊振動環(huán)境下對紅外窗口進(jìn)行強(qiáng)度考核：

式中：M.S.為安全裕度；為許用應(yīng)力；max為計(jì)算應(yīng)力；為安全因子，屈服極限一般取1.2；破壞載荷一般取1.35[13]。

根據(jù)公式(1)計(jì)算紅外窗口安全裕度M.S.，屈服極限＝1.2，計(jì)算得到M.S.＝30。

通過上述計(jì)算，在500半正弦波沖擊振動環(huán)境仿真過程中，雖然非制冷紅外探測器陶瓷封裝形式優(yōu)化結(jié)構(gòu)相較于原始結(jié)構(gòu)紅外窗口受到的最大等效應(yīng)力有所增加，優(yōu)化結(jié)構(gòu)紅外窗口安全裕度依然遠(yuǎn)大于1，優(yōu)化結(jié)構(gòu)紅外窗口抗力學(xué)設(shè)計(jì)滿足要求，發(fā)生失效的可能性極低，優(yōu)化結(jié)構(gòu)符合力學(xué)環(huán)境可靠性要求。

3 紅外窗口材料和厚度對可靠性影響分析

上述討論均基于厚度為0.7mm的鍺紅外窗口。除此之外，本文還仿真了優(yōu)化結(jié)構(gòu)的紅外窗口厚度分別為0.3mm、0.5mm、1.0mm鍺窗和0.3mm、0.5mm、0.7mm、1.0mm硅窗在500半正弦波沖擊振動環(huán)境中等效應(yīng)力水平和最大形變的情況。如圖8(a)、(b)所示，當(dāng)鍺窗口厚度從1.0mm減薄到0.3mm時，紅外窗口受到最大等效應(yīng)力由2.31MPa增大到6.68MPa，最大形變從380nm增大到2500nm。當(dāng)硅窗口厚度從1.0mm減薄到0.3mm時，紅外窗口受到最大等效應(yīng)力由1.47MPa增大到3.08MPa，最大形變從176nm增大到874nm。兩種材料的紅外窗口厚度由1.0mm減薄到0.3mm過程中，最大等效應(yīng)力和最大形變均滿足材料要求。當(dāng)窗口厚度相同時，硅材料窗口受到最大等效應(yīng)力和產(chǎn)生的最大形變都較小。在特定波段紅外線透過率滿足要求的前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮硅材料來制作紅外窗口，同時可適當(dāng)減薄窗口厚度。

4 結(jié)論

本文提出了一種非制冷紅外探測器陶瓷封裝優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并對優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)在10.2隨機(jī)振動環(huán)境和500半正弦波機(jī)械沖擊振動環(huán)境下的可靠性進(jìn)行了有限元仿真分析，同時研究了紅外窗口材料和厚度對機(jī)械沖擊振動環(huán)境可靠性仿真的影響，得到結(jié)論如下：

圖8 半正弦波沖擊振動環(huán)境對不同材料紅外窗口的影響

1）相較于優(yōu)化前的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后陶瓷封裝的非制冷紅外探測器的制作成本降低了約5%，體積減少了約30%。

2）10.2隨機(jī)振動環(huán)境分析過程中，優(yōu)化后各組件受到的等效應(yīng)力有所增加，但均遠(yuǎn)小于各組件材料的屈服極限。

3）500半正弦波沖擊振動環(huán)境分析過程中，優(yōu)化前后方向各組件形變最大，且優(yōu)化后各組件受到的應(yīng)力指標(biāo)都在允許范圍內(nèi)。校核發(fā)現(xiàn)紅外窗口的安全裕度M.S.＝30，完全滿足可靠性要求。

4）在500半正弦波沖擊振動環(huán)境下，紅外窗口厚度越大，窗口的可靠性越高；在窗口厚度相同時，硅材料的窗口可靠性表現(xiàn)更好。

本文驗(yàn)證了非制冷紅外探測器陶瓷封裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的合理性，為非制冷紅外探測器陶瓷封裝結(jié)構(gòu)向著低成本、小型化、高可靠性等方面發(fā)展提供了參考。

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Ceramic Package Structure Optimization and Reliability Analysis for Uncooled Infrared Detectors

LIU Jiwei，WANG Jinhua，SUN Junwei，HU Hanlin，CHEN Wenli

(Yantai Iray Technology Co., Ltd., Yantai 264006, China)

Ceramic packaging is the most common packaging form used for uncooled infrared detectors. The low cost, miniaturization, and high reliability of packaging are its key development directions. This paper proposes an optimized design that can reduce the cost and volume by nearly 5% and 30%, respectively, compared to an existing ceramic packaging structure. First, the independence of the grid number is proved. Then, the maximum equivalent stress and maximum deformation of each component of the original and optimized structures of the uncooled infrared detector ceramic packaging were analyzed under two conditions: a 10.2random vibration and a 500half-sine wave shock employing ANSYS Workbench. The results show that both structures meet the reliability requirements. In addition, reliability simulation for different materials and different thicknesses of the infrared window of the optimized structure was conducted under a 500half-sine wave shock condition. The results show that both germanium and silicon windows with thicknesses from 0.3mm to 1.0mm meet the reliability requirements, and there is a negative correlation between the thickness of the window and maximum equivalent stress, as well as maximum deformation. For infrared windows with the same thickness, the reliability of the silicon infrared window was better. This study provides a reference for the subsequent structural design and simulation calculation of the ceramic packaging of an uncooled infrared detector.

uncooled infrared detector, finite element, ceramic packaging, structural optimization, reliability

TN215

A

1001-8891(2023)01-0077-08

2022-01-25；

2022-03-18 .

劉繼偉（1993-），男，碩士，研發(fā)工程師，研究方向?yàn)榉侵评浼t外探測器封裝設(shè)計(jì)。E-mail: ljw_1717@163.com。