紅外焦平面探測(cè)器碎裂研究.pdf

1、紅外焦平面探測(cè)器（Infrared Focal Plane Array, IRFPA）在航空航天紅外遙感、氣象、國(guó)防和科學(xué)儀器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。但熱沖擊下極低的成品率使得大面陣紅外探測(cè)器僅僅在高級(jí)軍用裝備領(lǐng)域得到運(yùn)用，其根本原因是紅外焦平面探測(cè)器的特定結(jié)構(gòu)和低溫工作環(huán)境。在紅外探測(cè)器組件中，為提高組件的響應(yīng)率和信噪比，同時(shí)減小串?dāng)_，通常 InSb芯片的厚度需要減薄到10μm，抗變形能力相對(duì)變?nèi)?。為抑制背景噪聲，獲得更高的信噪比，紅外探測(cè)器

2、通常工作在77K液氮溫度下，在探測(cè)器從存儲(chǔ)溫度300K到77K快速降溫過(guò)程中，由于相鄰材料間熱膨脹系數(shù)的不同，將在InSb芯片中引入熱應(yīng)力/應(yīng)變，引起InSb光敏元芯片碎裂，降低InSb面陣探測(cè)器的成品率，成為紅外焦平面探測(cè)器批量生產(chǎn)中的主要障礙。
　　本文借鑒常規(guī)倒裝焊器件可靠性設(shè)計(jì)的分析方法，利用有限元分析軟件ANSYS建立16×16 InSb焦平面探測(cè)器結(jié)構(gòu)分析模型，系統(tǒng)分析了銦柱高度、直徑和底充膠材料模型對(duì)16×16小面陣

3、探測(cè)器結(jié)構(gòu)應(yīng)力及其分布的影響，仿真結(jié)果表明InSb芯片上的最大Von Mises應(yīng)力隨銦柱高度增加而減小，隨銦柱直徑增加而緩慢增大；底充膠模型對(duì)Von Mises應(yīng)力有明顯的影響，采用溫度相關(guān)彈性模型得到的InSb芯片上Von Mises應(yīng)力最精確，線彈性模型和粘彈性模型可能高估InSb芯片上Von Mises應(yīng)力。
　　采用底充膠溫度相關(guān)彈性模型，利用等效方法建立128×128 InSb探測(cè)器結(jié)構(gòu)分析模型驗(yàn)證所建模型的適用性；并

4、采用弱化 InSb芯片 Z方向楊氏模量的方式研究工藝損傷對(duì)InSb芯片形變的影響，模擬結(jié)果中應(yīng)變值分布和最大值出現(xiàn)位置與熱沖擊下InSb芯片背面形變照片中的裂紋分布及起源相一致，證明了所建模型的適用性。同時(shí)光敏元陣列區(qū)域往上凸起與臺(tái)面結(jié)隔離槽區(qū)域往下凹陷的形變面積比可用來(lái)作為InSb芯片法線方向楊氏模量選取的依據(jù)，本文中取體材料楊氏模量的30％。
　　為明確熱沖擊下 InSb面陣探測(cè)器形變誘因，取體材料楊氏模量的30%，根據(jù)InS