紅外探測器多余物的危害及預防

雷永暢，李建林，董 偉，周嘉鼎，侯禮坤，錢昆倫

〈紅外應用〉

紅外探測器多余物的危害及預防

雷永暢，李建林，董 偉，周嘉鼎，侯禮坤，錢昆倫

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

多余物引起航天、航空產品發生故障的案例有很多。紅外探測器多余物的動態位移，會導致瞬時閃現的圓形影像故障，干擾紅外弱小目標檢測識別與跟蹤；或者碰撞焦平面陣列產生無效像元，影響熱成像系統的最小可分辨溫差和作用距離。通過分步拆卸查找故障器件內的可排除宏觀微粒，運用掃描電鏡檢測識別多余物，梳理制造過程和使用過程中出現多余物的來源和產生過程，提出必須從生產源頭預防和控制多余物的途徑和方法。力學和光學分析計算表明，宏觀微粒破壞成像光束在焦平面上的光強分布，它位移掠過視場的時間小于50ms，線度小于1mm衍射現象顯著，圓形影像大多發生在夫瑯禾費衍射區域，線度10mm大小的多余物靠近焦平面陣列產生菲涅耳衍射斑。

質量控制；過程方法；多余物；紅外探測器；杜瓦瓶

0 引言

產品中存在的多余物可能造成極大的危害，產生災難性的事故。1992年3月中國發射美制澳大利亞通信衛星，因火箭內殘留有鋁制多余物，造成衛星發射失敗[1]。2002年，因繼電器內的點焊飛濺多余物，致使神舟三號地面控制設備發生故障。2013年，因發動機燃料管內存在多余物，造成資源一號03星故障。2014年，美國心宿二運載火箭發動機液氧渦輪泵中的鈦、硅多余物，導致其爆炸[2]。多余物的種類多、形態多，無論是外部進入或內部產生的都不容易杜絕，很難被檢測和控制，它的存在是絕對的，不存在是相對的。目前，粒子碰撞噪聲檢測（Particle Impact Noise Detection，PIND）和馬特拉（Matrah）檢測是繼電器、微電子器件多余物的常用檢測方法，可以檢測出電子元器件中1mg（對應46mm的Au球）以上的多余物[3]。然而，即使0.01mg（對應10mm的Au球）的多余物，也會影響紅外焦平面上的光強分布，干擾系統對紅外弱小目標的檢測跟蹤。紅外探測器芯片與冷屏和濾光片圍合的空間區域是通過懸臂結構的冷指連接到杜瓦瓶殼體上，現有粒子碰撞噪聲檢測試驗無法檢測到這個空間區域的自由粒子。

制冷紅外探測器由紅外探測器芯片、讀出電路芯片、電氣傳輸互聯金屬連線、杜瓦瓶和制冷器（機）組成，使用過程中在紅外焦平面杜瓦組件或制冷器（機）組件里，可能會產生固體或氣體多余物。當處于劇烈振動工作狀態時，固體多余物的動態位移，可能會碰撞焦平面陣列產生無效像元，或者遮擋成像輻射產生瞬時閃現的圓形影像，金屬微粒會引起電路金屬連線短路或串擾，也可能會產生氣路堵塞等環境效應。氣體多余物能造成高真空絕熱性能退化、制冷工質純度降低，導致降溫時間大于或紅外焦平面溫度高于技術規范要求值。國產或進口紅外探測器在實際應用中，都有瞬時閃現圓形影像的問題[4]，其密封真空空間內肯定存在動態移動的多余物。工程實踐中，依靠振動激活多余物，運用人工識別有無瞬時閃現圓形影像的方法，經過“篩選合格”沒有瞬時閃現圓形影像的紅外探測器，并不能保證在后續使用過程中不再出現瞬時閃現的圓形影像。因為，存在瞬時閃現圓形影像就是存在動態移動多余物的充分條件。如果有瞬時閃現的圓形影像，則必然有動態移動的多余物。

20世紀90年代，我國航空、航天行業發布了控制多余物的行業標準[5-6]；21世紀10年代，先后發布了航天和電子行業的多余物預防和控制標準[7-8]。近年來，又發布了多余物控制要求的國家標準[9-10]。國家軍用標準“質量管理體系要求”明確規定承擔軍用產品生產的組織，應在受控條件下進行生產，提供的控制包括“關于預防、探測和排除多余物的規定”[11]。因此，制定紅外探測器多余物控制要求，從源頭預防和控制多余物勢在必行。針對未經過或經過多余物控制的紅外探測器，研究顯微鏡目視檢查排除多余物的技術和方法，用掃描電鏡能譜分析識別實際多余物的成分和大小，梳理生產過程中內部產生或外部進入多余物的來源和產生過程，理論分析計算自由微粒的動態移動時間和瞬時閃現圓形影像的成像規律，為有效地預防和控制紅外探測器的多余物，庶幾有所裨益。

1 紅外探測器的多余物

1.1 多余物的產生及來源

紅外探測器在制造過程中外部進入的或使用過程中內部產生的與產品的功能、特性沒有關聯的多余物，是指遺留在產品、零件、部件和組件中的一切與組成產品無關的物體。即產品設計圖樣、工藝技術要求和文字技術文件明確以外的任何物質均為多余物。宏觀多余物是人的正常視力能看見的線度大于0.076mm的一切多余物，微觀多余物是指需要借助X射線、放大鏡或顯微鏡等光學分析儀器才能觀察到的一切多余物。產品中的微小顆粒物，一般指大小為10－4～10－1mm的微粒，也稱為宏觀微粒。

多余物來源于內部產生和外部進入，存在發現、定位和復現難等問題，識別多余物的來源和產生過程并非易事，這里給出制造過程和使用過程中出現多余物的工程實例。零部件組裝過程中經過多余物的檢查控制，在最后密封焊接工藝前對密封腔體表面可視區域再次進行顯微鏡目視檢查，仍然在Si讀出集成電路、陶瓷基板和電氣傳輸饋線環等區域找到線狀、球狀和顆粒狀的金屬或非金屬，呈現白色、黑色、黃褐色、淺藍色和金屬光澤的可排除多余物，其線度為0.01～0.05mm，能識別確認的多余物有CdZnTe、導電膠。可以看出，要杜絕宏觀微粒，此任重道遠。顧客使用過程中出現瞬時閃現“黑斑”的故障，返廠拆卸窗口、冷屏部件后，冷屏圍合的區域內查找到確認為CdZnTe、Zr-V-Fe和Al2O3的宏觀微粒，冷屏外查找到吸氣劑絕緣陶瓷管碎裂Al2O3、陶瓷基板絕緣涂層脫落介質膜和金屬鎳、銅、錫鉛等宏觀微粒。多余物的材質信息對優化生產工藝和減少多余物產生具有重要參考價值。圖1所示為幾種多余物的掃描電鏡形貌像，能譜分析材質識別確認幾種多余物，其中(d)、(i)難以識別。

可以歸納這些多余物的主要來源有：

1）零部件設計、加工產生。例如：表面粗糙度標注不合理，加工紋理、切削溝槽附著微粒；吸氣劑選型錯誤（不選無顆粒型）；電火花加工殘留熔渣、熔球；釬焊熔渣、熔球；切削加工金屬屑、毛刺；陶瓷激光切割熔渣、熔球；清洗工藝殘留纖維、未洗凈污染物。

2）零件表面涂鍍層瑕疵產生。例如：電鍍鎳層鼓泡、起皮、零件結構特性產生的鍍層突起；黑化涂層表面成膜不均勻突起顆粒物、潮解析出硅酸鉀白色顆粒物；陶瓷基板絕緣膜附著不牢固。

3）探測器、杜瓦瓶組裝工藝產生。例如：電阻、激光焊接熔渣、飛濺；焊接熱影響產生鍍鎳層鼓泡、起皮；抽氣工藝殘留卡套接頭和排氣管金屬屑；芯片封裝殘留粘接劑、引線鍵合殘留多余物。

(a)金Au，(b)銦錫合金In-Sn，(c)硬鋁2A12，(d)銀白色異物（C/17.86%、O/4.23%、Si/0.55%、Cl/10.74%、Ca/0.28%、Cu/6.76%、Zn/57.25%），(e)不銹鋼1Cr18Ni9Ti，(f)黑化涂層，(g)精密定膨脹合金4J29，(h)粘接劑，(i)棕褐色異物（C/48.16%、O/11.47%、Cl/17.83%、Zn/22.54%）

4）零部件制造缺陷產生。例如：吸氣劑燒結弱連接微粒脫落；電鑄冷屏工序中殘留的弱連接微粒；芯片襯底、硅讀出電路和陶瓷基板邊緣碎裂損傷等。

5）環境性多余物由人、空氣、設備、材料磨損等因素產生。例如：制造過程中儲存、運輸、組裝、操作等工藝環節引入塵埃、金屬或非金屬微粒；人體代謝產物如毛發、唾液、汗液、皮屑等。

1.2 多余物的危害

按光電探測系統環境適應性振動環境要求，模擬輸入功率密度譜（Power spectral density，PSD）0.08g/Hz的飛行振動環境，紅外探測器在、、向振動試驗中，都會出現瞬時閃現的圓形影像，有時出現幾次或十幾次，有時僅僅出現一次，具有隨機性、突發性和不確定性的特點，并不能很好地復現故障現象。如果生產過程中殘留的多余物或形成的弱連接微粒，經歷高溫抽氣、環境適應性試驗和環境應力篩選等激活多余物的多個制造環節，再進行二次振動篩選（即使反復多次篩選）也無法驗證是否存在多余物。因為，即使沒有瞬時閃現的圓形影像，也未必沒有動態移動的多余物。所以，用振動篩選不是有效地控制多余物的方法。

紅外探測器通過冷屏孔徑接收視場內景物輻射成像。如果杜瓦瓶真空空間存在殘留或脫落多余物微粒，在外力擾動激勵下微粒掠過視場遮擋景物輻射，出現瞬時閃現的黑斑、白斑、黑點、白點等異常陰影成像現象。在8847幀圖像中有超過200余幀（占比2.26%）可見異常影像，截圖183幀觀察測量典型“黑斑”所占像元數如圖2。若微粒的溫度小于或者大于景物的溫度，則微粒在視場限定的投射輻射中出現時，由于微粒對視場內投射輻射的遮蔽作用，在焦平面陣列上形成投射輻射的倒立陰影像，陰影區域內的像元信號電壓小于或者大于陰影區域外的像元信號電壓。當顯示器上顯示灰度比符合人眼對比度閾值0.02～0.05時[12]，人眼就能分辨出“黑斑”。如果微粒與景物的溫度和比發射率近似相同，或者說微粒與景物的輻射出射度差別不大即輻射對比度比較小時，探測識別“黑斑”就很困難。那么微粒遮蔽輻射的影像將消隱在景物的影像背景中。

圖2 宏觀微粒衍射產生圓形“黑斑”

目標檢測跟蹤成像系統出現“黑斑”異常影像，對點或斑狀目標的識別、跟蹤干擾嚴重，會影響系統的檢測跟蹤性能，尤其影響面積不大于9×9像元的紅外弱小目標檢測識別與跟蹤。對于觀察型系統，這種瞬時閃現的“黑斑”干擾更加令人討厭，可能會影響目標識別判斷和下達錯誤指令。多余物碰撞光敏面損毀有效像元，產生的無效像元以離散或簇的形式隨機分布在焦平面陣列上，引起空間噪聲干擾，在輸出熱圖像上表現為新產生的亮點或過亮點無效像元故障。隨長時間使用其數量會增加。這種空域噪聲會影響熱成像系統的最小可分辨溫差和作用距離。多余物使紅外探測器的某些性能降低或局部故障，能使產品喪失主要功能，造成產品失效、可靠性降低，影響紅外探測器的使用服役壽命。

2 圓形影像故障機理分析

2.1 微粒移動特性

紅外探測器在振動應力作用下，其真空空間內壁面上附著的外部進入微粒或內部產生弱連接微粒，將要受到最小隨機振動輸入均方根加速度RMS的激勵力和重力作用：

＝(RMS＋) (1)

式中：為作用在微小多余物上的激勵力；為質量；為重力加速度，垂直向上拋射取負；RMS為隨機振動輸入均方根加速度。當隨機振動輸入功率密度譜曲線的輸入均方根加速度為10.89時，附著在窗口、冷屏和芯片部件壁面上的多余物響應均方根加速度的值達到幾十個。表1給出金（密度19.32g/cm3）、柯伐（密度8.17g/cm3）和碳化硼（密度2.5g/cm3）小球響應均方根加速度RMS＝50時受到的激勵力。

費米能級不同的多余物微粒與冷屏、濾光片、杜瓦內壁、窗框、窗片、陶瓷基板和芯片接觸時，電荷會發生移動，移動產生的電二重層形成靜電引力，靜電引力在其界面處形成附著力。當兩理想平面接觸時，假設介電常數為8.85×10－12C2/(N×m2)，電荷移動數為1015～1017個/m2，那么電荷移動產生的靜電引力為104～108N/m2[13]。介電常數小的材料，產生的靜電引力較大。多余物附著表面存在表面粗糙度，并非理想平面，其接觸界面的真實有效接觸面積很小。假設小球投影面積的1%是接觸面積，對應接觸界面的圓形直徑、振動激勵力在接觸界面產生的應力如表1。可以看出，直徑10mm的金小球受到6.31×103N/m2容易被拋射出附著壁面，而直徑10mm的碳化硼小球8.17×102N/m2在靜電引力束縛下不容易被拋射出附著壁面。

當激勵力大于附著力時，多余物在振動平衡位置以最大初速度0傾斜拋射運動離開附著壁面，其運動方程為：

式中：為初速度0與水平方向（、）的傾斜拋射角，傾斜向上＞0，傾斜向下＜0，垂直（）拋射＝π/2，水平拋射＝0；為水平運動距離；為垂直運動距離。由圖3(a)看出，向振動激勵時，在陶瓷基板、Si讀出集成電路、探測器芯片、濾光片和鍺（硅）窗片等壁面處的多余物容易發生水平拋射；對稱于、向的在冷屏、窗框上的多余物，在向振動激勵下容易發生垂直拋射，其中－區域做垂直上拋運動，＋區域做垂直下拋運動，而在向振動激勵下±區域容易發生水平拋射運動。

表1 隨機振動產生的激勵力與附著力

垂直拋射的運動方程為：

式中：初速度0＞0為垂直向上拋射，0＜0為垂直向下拋射。當初速度0＞0、末速度＝0時，最大上升高度max、飛掠最大高度的時間為：

水平拋射時：

由圖3(c)、(d)看出，隨機振動使得多余物以速度均方根0的初速度垂直或水平拋射，不同初速度下多余物掠過30mm視場的飛行時間通常小于50ms。多余物響應均方根加速度的速度均方根為：

式中：為振動循環數每秒（頻率），Hz。由圖3(b)可知，低頻時的初速度大，高頻時的初速度小。

2.2 微粒的光學成像

用幾何光學理想光線的光路模型，分析多余物對成像光束的影響。圖4所示為多余物、景物和陰影像大小，以及其相互位置的關系。景物上某一點源的投射輻射，經過多余物的平行于景物的投影輪廓邊緣，在焦平面陣列上形成多余物的遮蔽陰影區域，其形狀與前述投影輪廓一致。此被遮擋投射輻射束的邊界是由點源無彎曲地通向無窮遠處的射線，以圍合遮蔽陰影區域的封閉曲線為導線運動形成的錐面，其軸線與焦平面陣列相交的點，就是點源投射輻射通過多余物后，在焦平面陣列上形成遮蔽輻射陰影的像，并不是一點，而是一個分布圖樣。由圖4可知，陰影像的大小與點源方位和多余物的大小有關，由下式計算：

式中：s￠、p分別為焦平面陣列上投射輻射的衍射像和多余物的幾何大小；為焦平面陣列與景物（圖4(a)所示為視場光闌）的距離；為焦平面陣列與多余物的距離；為橫向放大倍率。

隨多余物與焦平面陣列距離不同，陰影像會按幾何光學小孔成像規律放大或縮小。由多余物、視場光闌、投射輻射束錐面共同約束，在焦平面陣列上形成與視場光闌形狀一致，接近焦平面陣列大小的最大倒立陰影像（圖4(a)）；當多余物離開產生最大倒立陰影像的位置，向景物一側靠近，被遮蔽目標區域小于視場光闌限制的區域，因為軸對稱性，其在焦平面陣列上呈現圓形陰影像，而與多余物、視場光闌的形狀無關（圖4(b)）；當多余物向焦平面陣列一側靠近，被遮蔽景物區域等于視場光闌限制的區域，倒立陰影像小于焦平面陣列，圖樣與視場光闌形狀一致（圖4(c)）。這個倒立陰影像是由無數多余物的遮蔽陰影像（投射輻射束錐面軸線與焦平面陣列相交的點）集合而成。由幾何關系得：

式中：s、p、b分別為焦平面陣列上投射輻射的倒立陰影像、多余物和視場光闌的半寬度。

2.3 最小成像微粒的線度

2.3.1 衍射分析

通過物理光學分析，多余物p大于紅外探測器工作波長的103倍時，衍射現象不明顯；多余物p是工作波長的102～10倍時，衍射現象顯著；多余物p與工作波長的數量級大體一致，衍射現象極端顯著。當工作波長為8～12mm，多余物大于10mm時，衍射現象不明顯，可按直線傳播處理；多余物小于1mm時，衍射現象顯著，出現明暗衍射花樣；多余物接近等于或小于工作波長10mm時，衍射現象極端顯著，過渡到散射。在符合菲涅耳近似和夫瑯禾費近似的情況下，線度小于1mm的多余物遮蔽陰影像具有如下特點：

(a) 多余物在產生最大陰影像的位置；(b) 多余物在靠近景物的位置；(c)多余物在靠近焦平面陣列的位置

1）點源投射輻射通過多余物邊緣時的衍射現象，使得多余物幾何遮蔽陰影像的中心永遠有投射輻射，可以設想不透明多余物在光路上的作用相當于一個會聚透鏡。這個中央亮點是與工作波長、多余物的大小和位置相對應的輻射強度占總投射輻射84%的艾里斑[14]，其線度為：

式中：為工作波長。由式(7)、式(9)得艾里斑對應的多余物的線度和位置關系為：

當＝/2時，p有極大值。將式(10)代入式(8)得焦平面陣列上倒立陰影像為：

設像元數×，像元大小×，則焦平面陣列可接收遮蔽陰影像s最大、最小。當多余物恰巧遮擋住衍射花樣的艾里斑，且＝25mm、＝10mm、＝35mm、b＝22.77mm，由式(10)、式(11)求得多余物p＝17.1mm在＝12mm處相對應的倒立陰影像s＝25mm。如果陰影像的面積占到像元面積的一半，像元信號電壓將有明顯的變化；此時多余物p＝13.1mm在＝7mm處相對應的倒立陰影像s＝17.7mm。

2）多余物遮擋波陣面上的菲涅耳半波帶個數為奇數時，衍射花樣中心點為亮點形成“白點或斑”；當多余物遮擋偶數個半波帶時，衍射花樣中心點為暗點形成“黑點或斑”。多余物越小，被遮蔽半波帶的數目就越少，(＋1)為不大的有限值時，到達遮蔽陰影中心的輻射越強；多余物越大，它將遮擋更多的半波帶數目，使得未被遮擋的第(＋1)個半波帶在陰影中心產生暗點形成“黑斑”。變更多余物與焦平面之間的距離，半波帶的數目隨之改變，將影響陰影中心的輻射強弱。多余物的線度與半波帶數目和位置的關系為[14]：

3）衍射是矢量場，當多余物不太靠近焦平面陣列，其線度大于工作波長很多，可近似按標量計算衍射花樣的場分布。通常＜s2/的近場衍射區域取菲涅耳近似，＞s2/的遠場衍射區域取夫瑯禾費近似[7]。工作波長10mm，多余物小于0.1mm～10mm，且靠近焦平面陣列1mm～10mm以內，為菲涅耳衍射區域。可見，紅外焦平面探測器組件多余物產生的衍射，大多發生在夫瑯禾費衍射區域。

2.3.2 散射分析

當懸浮多余物的線度與工作波長差不多時，散射衰減目標物投射輻射能量的空間分布，使得焦平面陣列上像元接收投射輻射的光譜輻射功率減小，其信號電壓為：

式中：S(,)為有多余物散射衰減時像元的信號電壓；()為光程的透射比；(,)為透射輻射的光譜輻射功率[15]：

其中：

式中：()為散射面積比，表示被多余物散射的輻射波前面積與多余物橫截面積之比。

令像元信號電壓相對變化比（或相對電壓對比度）為：

聯立式(15)、式(16)，于是：

對于工作波長＜15mm的紅外波段，()≈3.8[8]。當光程為35mm、多余物的線度為13.9mm時，人眼就能分辨出“黑斑”。

3 多余物的預防和控制

按危害程度和潛在質量隱患分致命多余物、嚴重多余物和一般多余物。按加工方法分切削、磨削、焊接、表面處理等多余物。按體積大小分宏觀和微觀多余物。按形態分固體和氣體多余物。多余物的種類復雜、分類多樣，對其產生源頭的控制困難，有必要深入研究、嚴格控制。例如，在金屬零部件的加工過程中，不可避免地會產生毛刺，毛刺的存在會影響零件的裝配與使用。當加工精度要求較高或是零件尺寸較小時，毛刺的影響較大。毛刺的形成是一個復雜的過程，涉及到零件材料的大塑性變形，毛刺類型及其特性取決于加工的類型、工藝參數、刀具屬性、刀具幾何形狀、冷卻潤滑條件和工件材料屬性等。據統計，在金屬零部件的加工過程中，去毛刺費用占零件制造成本的10%左右，20世紀末，美國每年用于去毛刺的費用就高達數十億美元[16]。非金屬陶瓷零部件的生瓷沖制、疊片和金屬化層等工藝過程，可能產生瓷粉顆粒、粘接劑粘附等多余物，這些多余物的檢查排除不干凈，真空電氣傳輸饋線環部件燒成后，腔體內殘留弱連接瓷顆粒是潛在的內部產生多余物。硅、碲鋅鎘、碲鎘汞、氧化鋁、氮化鋁、碳化硅等硬脆的材料邊緣極易產生隨機的碎裂損傷，形成的弱連接顆粒即是潛在的內部產生多余物，能否準確掌握破碎損傷規律和抑制措施的超精密切削加工技術，正是突破無硬脆的材料內部產生多余物瓶頸的關鍵所在[17]。

多余物產生的原因包括：設計不合理，工藝方法不當，工藝經驗不足，工藝過程監控不力，加工工藝水平低劣，人員素養不高，違反工藝紀律，多余物的檢查與清理不徹底等。有人為、設備、材料、管理方法和環境等因素。多余物的防控需要在產品壽命周期過程中全程預防和控制，以預防為主、全員參與和重點管控的原則，針對人、機、料、法、環、測各環節，通過排除、檢查和預防三結合的方法，不斷加強生產過程中多余物的控制、提高設計與工藝技術水平，才能全面有效地預防和控制多余物的產生。

組成紅外焦平面杜瓦組件的零部件數量多，零件形狀以薄壁圓筒（環）和薄圓或矩形片為主，裝配關系以軸孔配合、端面貼合的焊接和粘接為主，電氣傳輸以引線鍵合、導電粘接劑加固為主，涉及的工序和工種較多，存在較高的多余物進入風險，在組裝過程中對多余物的控制要求更為嚴格。通過對組裝各環節多余物產生情況的梳理分析，提出多余物的控制措施如下：

1）經過清洗工序清洗組裝前的零部件，大多是兩端敞開的薄壁圓筒、薄圓或矩形片，符合可達性和操作性的工藝要求，便于檢查和排除多余物。運用觀察法15×的顯微鏡目視檢查，用吸取、吹除、抓勾、夾取、粘接、拍擊、振動、晃動等方法排除多余物。經過檢查合格的零部件放置密封傳遞盒中傳遞，避免在傳遞、操作中再次引入多余物。

2）吸氣劑組裝焊接工序加工完成的部件應及時清理焊接飛濺殘留多余物和加工操作侵入多余物。杜瓦瓶主體結構的半封閉性設計，是導致多余物易殘留和不易被發現并排除的原因。組裝焊接工序加工過程中，對未加工的開敞部位或半封閉零部件結構進行防多余物保護，并及時清理加工過程中產生的多余物。

3）陶瓷基板、芯片粘接對位貼裝工序，應對半封閉杜瓦瓶主體開敞部位進行遮擋防護，避免粘接劑、環境塵埃等多余物進入半封閉杜瓦瓶主體內。引線鍵合工序，應注意清洗劈刀，去除劈刀孔殘留物，保持引線鍵合金屬絲、工具夾等清潔，尾絲不能過長（尾絲長度不超過2倍引線鍵合金屬絲直徑）。引線鍵合劈刀使用時間和次數不能太長，不能因劈刀有缺陷而導致引線鍵合金屬絲拉傷有毛刺。組裝冷屏前進行多余物顯微鏡檢查工序，排除芯片區域表面附著和嵌入的封裝粘接劑殘留、引線鍵合斷絲殘留和外部進入多余物。

4）組裝焊接窗口部件前，對電氣傳輸饋線環真空區域表面、陶瓷基板可視區域表面、冷屏內外表面、窗口部件真空區域表面進行15×的顯微鏡檢查工序，排除工序殘留粘接劑和金屬絲、屑，以及冷屏、窗口部件內部或外部產生的多余物。檢查合格的部件放置密封傳遞盒中傳遞至下道激光焊接工序，應注意避免侵入焊接工裝產生的外部進入多余物，后續撿漏、抽氣工序必須保證不會通過排氣支管由外部進入多余物。

4 結論

多余物的產生溯源到設計、制造、使用和環境。必須重視正確結構、合理選材、環境適應性等必達要求的設計。例如，與設計有關的吸氣劑、表面粗糙度、涂層材料、結構強度和剛度，與制造工藝有關的零部件涂鍍層附著不牢固、組裝焊接熔渣、襯底和基板碎裂、排氣臺卡套接頭產生金屬屑等。應掌握零部件金屬材料無毛刺、非金屬材料無破碎損傷的超精密切削加工技術和無飛濺焊接技術，從生產源頭控制內部產生的多余物。應建立完善的多余物的檢查排除管理制度，有效地控制內部產生和外部侵入的多余物。

空氣中的浮塵，設備、工裝、工具、工位臺面和手套附著的不潔凈污染物等環境影響不能忽視。1個小到10mm上下的多余物就會產生“黑斑”。當有多個2.5mm的微粒出現在視場中，一樣會因散射破壞光場強度分布影響成像質量。因此，封裝潔凈工房的潔凈度應優于ISO7（萬級），以避免空氣環境中5～10mm的宏觀微粒侵入杜瓦瓶密封腔體內。

[1] 張揚, 宋曉暉, 顧菲, 等. 通信衛星熱試驗多余物控制方法研究[J]. 質量與可靠性, 2020(4): 1-5.

ZHANG Yang, SONG Xiaohui, GU Fei, et a1. Research of remainder particle control method in telecommunication satellite thermal vacuum test[J]., 2020(4): 1-5.

[2] 張悅, 孫勝利, 劉會凱, 等. 航天器制造過程多余物控制機器視覺方法綜述[J]. 計算機測量與控制, 2019, 27(2): 1-5.

ZHANG Yue, SUN Shengli, LIU Huikai, et a1. A survey of machine vision methods for control of remainders in intelligent manufacturing process of aerospace products[J]., 2019, 27(2): 1-5.

[3] 王國濤, 王強, 韓笑, 等. 密封電子元器件多余物檢測技術綜述[J]. 機電元件, 2017, 37(1): 55-63.

WANG Guotao, WANG Qiang, HAN Xiao, et al. Summarize of loose particles detection method for sealed electronic components[J]., 2017, 37(1): 55-63.

[4] 駱守俊, 彭晴晴, 郭亮. 紅外探測器內部顆粒物對圖像的影響[J]. 紅外與激光工程, 2013, 42(3): 590-594.

LUO Shoujun, PENG Qingqing, GUO Liang. Influence of the particulates inside the infrared detector on the image[J]., 2013, 42(3): 590-594.

[5] 國防科工委軍工產品質量管理標準化技術委員會. 多余物控制要求[S]. HB 7128-1994, [2004-12-01].

Standardization Technical Committee for Quality Management of Military Products of the National Defense Science and Technology Commission. Foreign object control requirements[S]. HB 7128-1994, [2004-12-01].

[6] 國防科工委軍工產品質量管理標準化技術委員會. 航天器多余物預防和控制要求[S]. QJ 2850-1996, [2004-12-01].

Standardization Technical Committee for Quality Management of Military Products of the National Defense Science and Technology Commission.Requirements for the prevention and control of spacecraft debris[S]. QJ 2850-1996, [2004-12-01].

[7] 國家國防科技工業局. 航天產品多余物預防和控制[S]. QJ 2850A-2011, [2011-07-19].

State Administration of Science, Technology and Industry for National Defence, PRC. Requirements for the prevention and control of spacecraft debris[S]. QJ 2850-1996, [2004-12-01].

[8] 國家國防科技工業局. 微波組件多余物預防和控制要求[S]. SJ 21073-2016, [2016-01-19].

State Administration of Science, Technology and Industry for National Defence, PRC. Technical requirements for spilth[S]. SJ 21073-2016, [2016-01-19].

[9] 中國人民解放軍總裝備部. 多余物控制要求[S]. GJB 5296-2019, [2004-12-21].

People's Liberation Army General Armaments Department. Foreign object control requirements[S]. GJB 5296-2019, [2004-12-21].

[10] 國家市場監督管理總局. 航天器多余物預防和控制要求[S]. GB/T 40539-2021, [2021-08-20].

State Administration for Market Regulation. Requirements for the prevention and control of spacecraft debris[S]. GB/T 40539-2021, [2021-08-20].

[11] 中央軍委裝備發展部. 質量管理體系要求[S]. GJB 9001C-2017, [2017-05-18].

Equipment Development Department of the Central Military Commission. Quality management systems requirements[S]. GJB 9001C-2017, [2017-05-18].

[12] Hirsch J, Curcio C A. The spatial resolution capacity of human foveal Retina[J]., 1989, 29(9): 1095-1101.

[13] 田民波, 劉德令. 薄膜科學與技術手冊[M]. 北京: 機械工業出版社, 1991: 175.

TIAN Minbo, LIU Deling.[M]. Beijing: China Machine Press, 1991: 175.

[14] 張鳳林, 孫學珠. 工程光學[M]. 天津: 天津大學出版社, 1988: 262, 265, 282.

ZHANG Fenglin, SUN Xuezhu.[M]. Tianjin: Tianjin University Press, 1988: 262, 265, 282.

[15] 陳衡. 紅外物理學[M]. 北京: 國防工業出版社, 1985: 258-260.

CHEN Heng.[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 1985: 258-260.

[16] 姜俊, 舒鑫, 雍建華, 等. 金屬切削毛刺形成與控制技術研究進展[J]. 工具技術, 2021, 55(7): 3-10.

JIANG Jun, SHU Xin, YONG Jianhua, et al. Development of metal cutting burr formation and control technology[J]., 2021, 55(7): 3-10.

[17] 王龍, 汪劉應, 劉顧, 等. 基于單顆磨粒切削的硅片加工破碎損傷[J]. 光學精密工程, 2021, 11(29): 2632-2639.

WANG Long, WANG Liuying, LIU Gu, et al. Silicon wafer breakage damage based on single abrasive cutting[J]., 2021, 11(29): 2632-2639.

Redundant Object Damage and Prevention Method for Infrared Detectors

LEI Yongchang，LI Jianlin，DONG Wei，ZHOU Jiading，HOU Likun，QIAN Kunlun

(Kunming Institute of Physics, Kunming 650223, China)

Damage caused by foreign objects is a common risk faced by aerospace and aviation products, which has contributed to many incidents. The dynamic displacement of redundant objects can cause instantaneous circular image failure in infrared (IR) detectors, which interferes with the detection and tracking of small targets with low infrared radiation. Moreover, the dynamic displacement of redundant objects can collide with the infrared focal plane array, causing ineffective pixels and affecting the minimum resolvable temperature difference and operating range of the IR imager. The faulty device must be dismantled step-by-step to eliminate the macroparticles. Electron microscopy was used to test the redundant objects. The source and generation of redundant objects during infrared focal plane array manufacturing and application were determined. Mechanical and optical analyses show that macroparticles can damage the intensity distribution of the imaging beam on the focal plane. The time required for the displacement to pass through the field of view is less than 50ms, the linearity is less than 1 mm, and the diffraction phenomenon is significant. Most of the circular images occurred in the Fraunhofer diffraction area. A fringe diffraction spot is produced if the 10mm redundant object is close to the focal plane array.

quality control, process method, redundant object, infrared detector, dewar flask

TN215

A

1001-8891(2023)07-0790-08

2022-03-25；

2022-05-11.

雷永暢（1990-），男，工程師，主要從事質量檢驗，過程控制的工作。E-mail: wwwchang0103@163.com。

李建林（1963-），男，高級工程師，主要從事紅外探測器封裝技術、真空獲得技術、環境工程、可靠性和性能評價方面的研究。在封裝杜瓦產生真空以及真空壽命、出氣速率、熱負載測量等設計與工藝技術領域有深入的研究和實踐經驗，涉獵高屏蔽效率冷屏蔽罩設計、黑體輻射源設計、焦平面陣列壽命評估及像元失效研究等。E-mail：lijianlin12@21cn.com。