长线列红外探测器组件冷台面结构设计
2018-08-28东海杰白绍竣王成刚王春生喻松林孟令伟
东海杰,张 磊,白绍竣,王成刚,王春生,喻松林,孟令伟,张 懿
(1.华北光电技术研究所,北京 100015；2. 北京空间机电研究所,北京 100094)
1 引 言
长线列红外探测器组件是“高分5号”卫星全谱段光谱成像仪是核心部件,为多谱段多线列探测器,短中波组件集成了短波2个谱段、中波2个谱段共4个谱段,短波每个谱段探测器像元规模为3072×3元、中波每个谱段像元规模1536×3元；长波组件集成了4个谱段,长波每个谱段像元规模1536×3元。短中波探测器工作温度80 K,长波探测器工作温度60 K,长线列探测器组件封装用冷台面结构设计尺寸为95 mm×80 mm,由于碲镉汞探测器与硅读出电路固有的热失配,随着探测器线列规模的增大,大尺寸冷台面结构与制冷机耦合导致的应力变形也随着增大,为此需要通过冷台面结构设计降低热应力对探测器影响,避免热应力导致探测器光电性能的劣化,以满足红外系统对探测器可靠性寿命要求。
2 冷台面结构组成
长线列红外探测封装冷台面结构由长线列拼接探测器、滤光片、陶瓷过渡板、柔性导电带以及与制冷机耦合的金属基板组成,探测器通过金属基板与制冷机冷台完成热耦合,以保证探测器工作温度,如图1所示。
图1 长线列探测器冷台面结构构成图Fig.1 The cold Table for long linear infrared detector
探测器芯片模块以交错模式机械拼接到拼接衬底上,滤光片对光谱特性进行细分,保证探测器光学响应,陶瓷过渡板用于探测器信号输出、柔性导电带完成探测器组件与外部视频电路的连接。由于探测器芯片模块、拼接衬底、陶瓷过渡板、金属基板以及制冷机冷台材料之间存在固有热失配,需要在保证拼接衬底、柔性导电带和陶瓷过渡板电学连接材料不改变的条件下,对金属基板和制冷机冷台材料以及耦合方式进行匹配设计。
3 冷台面结构设计及仿真结果
3.1 低应力冷台面结构设计
低应力冷台面结构设计主要考虑探测器低的热应力变形和保证与制冷机耦合的热效率。选用了半导体封装常用的钼铜材料制备金属基板,同时,考虑到大尺寸宝石拼接基板与钼铜材料的热失配,将金属基板设计成两体结构,在金属基板上设计了卸载槽结构,用于改善探测器焦面的应力分配,避免冷台面结构中心区域应力变形的增大。冷台面结构与制冷机耦合之间采用填充胶与螺钉耦合紧固方式,在金属基板集成过程中采用塞尺对卸载槽尺寸进行控制,结构设计如图2所示,金属基板卸载槽测试如图3所示。
图2 冷台面卸载结构设计Fig.2 Unloading structure design of cold Table
图3 卸载槽测试状态Fig.3 Unloading grooves test
3.2 冷台面结构仿真分析
采用有限元仿真对冷台面结构进行分析,采用指定温度的稳态温度场分析。由于温度确定,没有进行传热分析,模型中施加的载荷即热载荷,为简化分析,模型中没有包括螺栓模型,螺栓连接方式和粘接用“bonding”方式代替,即零件之间完全紧固。主要分析要点如下:
a)陶瓷过渡板上最大应力及应力分布,考察其是否超过材料的断裂极限应力；
b)焦平面的法向变形:焦平面即三片硅片所形成的平面,在低温下由于各个零件的变形导致焦平面受到影响,考察其大小的值即三个芯片在竖直方向的变形；
材料参数如表1所示,探测器工作温度设定60 K,环境温度设置为室温,仿真分析结果如图4、图5和图6所示。
表1 材料参数表Tab.1 Material parameters
图4 图4陶瓷过渡基板热应力仿真结果Fig.4 Thermal stress of ceramic substrate
图6 宝石拼接衬底变形分布Fig.6 Thermal deformation of sapphire mosaic substrate
表2为冷台面结构仿真分析结果。根据仿真结果,冷台面卸载结构设计改善了拼接衬底的应力变形,陶瓷过渡板最大应力94 MPa，小于陶瓷150 MPa许用应力,探测器芯片变形46 μm，满足系统成像焦深要求。
表2 冷台面结构仿真分析结果Tab.2 Simulation result of unloading structure
4 探测器组件开关机寿命试验结果
采用冷台面卸载结构封装的长波探测器组件完成了地面300次开关机试验,试验工作剖面如图7所示,红外探测器组件在试验前后性能稳定，如表3所示。
图7 探测器组件开关机寿命试验工作剖面Fig.7 On-off experiments profile of the detector表3 开关机寿命试验过程中受试产品性能测试结果Tab.3 Performance test results during life test
开关机次数芯片加断电次数盲元率/%谱段DS1DS2DS3响应率不均匀性/%试验前LW100.20.4LW117.2LW200.20.2LW217.8LW31.21.40.4LW322.9LW42.01.20.4LW426.7100101LW100.20.4LW117.9LW200.20.4LW218.1LW31.81.40.4LW324.6LW41.81.00.4LW427.9200201LW1000.4LW116.3LW2000.4LW217.8LW31.61.40.4LW322.9LW42.01.00.4LW425.1300301LW1000.4LW116.5LW2000.4LW217.9LW31.21.60.4LW322.8LW41.61.40.4LW425.3
5 结 论
针对长线列红外探测器封装设计的冷台面卸载槽结构,通过有限元仿真分析和试验验证,探测器焦面变形满足红外相机成像要求,探测器组件开关机寿命满足卫星应用要求。提出的冷台面卸载槽设计,为后续超长线列探测器封装设计提供了一条技术解决途径,有利于降低超长线列探测器焦面应力。
致谢:感谢北京理工大学张海波老师在有限元仿真分析方面给予的支持。
