超大面阵碲镉汞探测器低应力设计及有限元分析

随着碲镉汞材料和器件技术的不断发展,满足大视场、超高分辨率应用需求的超大阵列规模的红外探测器逐步投入工程应用,超大面阵探测器芯片的低温可靠性成为封装技术的重点研究内容。以某超大面阵碲镉汞混成芯片为研究对象,采用有限元仿真分析法研究了冷头材料体系、冷台外径、冷台的结构形式等因素对混成芯片低温应力和芯片光敏面低温变形的影响规律,最终优化设计出一套可满足超大面阵芯片低温可靠性要求的冷头结构和材料体系。仿真结果显示,该冷头体系硅电路低温下最大应力约为70 MPa,碲镉汞光敏区在低温下的变形约为30■m。仿真结果能满足工程应用可靠性要求的经验仿真阈值,有效改进了超大面阵红外探测器的高可靠小型化封装技术。     

红外探测器杜瓦冷头的低温可靠性研究

红外探测器杜瓦冷头结构受温度冲击时容易损伤,甚至会导致探测器组件失效。这是红外探测器组件产品研制中不可避免的可靠性问题之一。针对红外探测器杜瓦冷头的低温可靠性问题展开了相关研究。结合粘接失效原理和有限元仿真,讨论了粘接胶厚度、溢胶等情况对杜瓦冷头低温应力、冷头-冷指粘接面积与探测器温度关系的影响。结果表明,胶层状态是影响杜瓦冷头低温损伤和温度传导的重要原因。产品研制过程中可通过控制粘接胶层来降低大面阵探测器粘接结构的低温应力,从而提高冷头结构的低温可靠性。     

快速制冷启动的中波320×256红外焦平面探测器研究

快速制冷启动所产生的形变应力是对红外焦平面探测器芯片可靠性构成影响的重要方面。采用机械加工结合化学腐蚀的方法对芯片进行减薄以提高其柔韧性,从而减小了由于应力传递产生的像元损伤所引起的盲元和裂纹。并在不增加杜瓦冷头零件结构的前提下对杜瓦冷头膨胀匹配进行优化以减小芯片形变和应力。通过可靠性试验验证,提高了快速制冷启动下中波320256红外焦平面探测器组件长期工作的可靠性和稳定性。     

超长线列碲镉汞探测器组件的冷头结构设计

随着大规模线列探测器不断实现空间应用,具有大范围、高分辨率红外扫描探测与目标捕获能力的超长线列拼接探测器的应用需求变得越来越广泛。超长线列碲镉汞红外探测器组件的阵列规模及几何尺寸较大,导致探测器冷头结构的低温热失配问题被放大。为获得满足低温可靠性及严苛成像需求的冷头结构,开展了相关冷头结构设计优化方法研究以及获取实物的试验验证工作,并通过试验验证工作证明本研究采用的结构设计优化方法适用于复杂的大尺寸冷头结构设计。     

微型红外探测器组件快速冷却过程数值模拟分析

随着探测技术的飞速发展,红外探测器获得了越来越广泛的应用.对一种快速启动的微型红外探测器内部结构进行了数值模拟和传热计算.模拟结果表明:接触热阻对探测器组件冷却过程和时间的影响显著,通过调整接触热阻的大小,探测器芯片冷却到90 K所用的时间在4~10 s之间变动.初始环境温度和光阑表面发射率对芯片的冷却效果影响不大.节流冷头温度的变化对探测器组件冷却影响较大,当节流冷头温度下降较慢时,其对芯片启动时间影响较大.在实验过程中可以通过优化接触热阻和节流冷头这两个因素来提高探测器组件冷却效果,从而达到更高的要求.     

碲镉汞集成偏振探测器应力分析

红外碲镉汞集成偏振探测器的结构是采用多个芯片叠层的方式,由于各层的材料不同,热膨胀系数不同,在低温下工作时各层界面之间存在应力,应力控制的不好会造成芯片裂片等情况,导致探测器性能劣化或无法使用。本文对长波320×256碲镉汞集成偏振探测器的裂片现象进行了分析,对存在的应力运用软件进行了仿真,得到了碲镉汞芯片上的应力值及减小应力的方向。针对仿真分析的结果进行了相应的铟柱降低、碲锌镉衬底减薄的试验,解决了碲镉汞集成偏振探测器的裂片现象。     

2048×2048 HgCdTe红外焦平面杜瓦冷头热应力有限元分析

利用有限元方法对2048×2048(15 μm)红外焦平面杜瓦冷头的原始结构以及加入的平衡层结构进行了分析.在陶瓷基板下方增加膨胀系数较小的平衡层,对探测器芯片变形及热应力有一定的缓解作用.通过增大AlN平衡层上表面的直径,减小了芯片中心以外的翘曲范围,缓解了应力过于集中的问题.当直径超过芯片对角长度时,最大热应力骤减,最终趋于稳定;芯片变形量随之迅速减小.在直径为36 mm时,达到最小值(6.86 μm);随后缓慢增加并趋于稳定.当AlN平衡层的直径超过芯片对角长度后,AlN平衡层的厚度对芯片变形的影响开始减小.通过加入AlN平衡层能够有效改善大面阵焦平面探测器芯片的变形及热应力,同时通过调节AlN平衡层的结构,可进一步优化探测器杜瓦组件的可靠性.     

红外焦平面探测器封装结构热应力分析

红外焦平面探测器是一个主要由引线基板、硅读出电路、铟柱和探测器芯片组成的多层结构。由于材料层间热膨胀系数的差异,低温时探测器中会产生相当大的热应力,对探测器温度循环可靠性影响严重。为了考察红外焦平面探测器低温下的热应力情况,建立了探测器结构的有限元分析模型;利用该模型分析了引线基板热膨胀系数、弹性模量,及其厚度分别对Si、CdZnTe衬底类型的探测器热失配应力和形变的影响;根据对这两种类型探测器的分析结果,分别提出了相应的改进方法,并对方法进行了计算验证。     

超长线列红外探测器组件的低温面形研究

随着红外焦平面探测器阵列规模的不断扩大,由多层结构低温热失配形变导致的杜瓦可靠性问题愈发突出,对焦面低温形变的定量化表征需求越来越迫切。基于超长线列红外焦平面探测器冷箱组件开展焦面低温形变研究,针对多层结构粘接造成的焦面低温形变进行了理论仿真。设计了一种探测器工作温度90 K下焦面低温形变的测试方法。对比分析面形测试结果与仿真计算,低温下焦面整体下移,但变形曲线呈拱形。仿真得出两边芯片向下凹约9.24■m,中间位置芯片向下凹1.36■m。实验得出两边芯片向下凹约40■m,中间位置芯片向下凹10■m。数据差异与仿真材料的参数设置有关。验证了仿真结果的合理性,可为超长线列探测器焦面多层结构设计提供参考依据。     

红外探测器杜瓦结构的快启动优化

某型号红外探测器组件在工程应用中需要极短的制冷启动时间,红外焦平面探测器组件的启动时间与制冷器的制冷性能和杜瓦冷头的热学性能相关。本文在不改变J-T制冷器状态的条件下,通过对杜瓦结构的冷屏、框架、冷台等零件的热负载设计优化仿真优化设计,减小冷头热质量,提高导热效率,有效减少了组件的制冷启动时间。     

红外焦平面探测器芯片应力降低方法研究

以1280×1024红外焦平面探测器为例,利用三维可视化实体模拟软件建立了包含冷指部件、陶瓷框架、探测器芯片的三维模型,并利用ANSYS仿真软件对模型(仅球形冷台结构与常规冷台不同,其余零件均相同)进行了仿真对比.研究结果表明,球形冷台结构通过增加冷台与制冷机接触面的面积可以实现更低的芯片热应力以及更小的芯片热变形,进...     

大规模红外探测器冷箱结构的优化设计

针对大规模红外探测器的封装需求,介绍了冷箱封装结构的设计方法和特点。根据不同类型的大规模红外探测器组件的用途和需求,对其封装结构、重量、热负载以及可靠性等进行了分析,并针对某型大规模红外探测器组件的封装结构开展了优化设计。以轻量化、低功耗为设计思路,采用有限元仿真工具对封装结构进行了优化设计,使其能够满足设计要求。     

大面阵红外探测器与低温冷平台集成后的应变测试研究

大面阵红外探测器是红外遥感仪器的核心元件。该类探测器大多由小规模面阵探测器拼接组成,与杜瓦低温冷平台集成后形成杜瓦组件。探测器在杜瓦低温冷平台上安装集成后的应力状态是影响芯片性能和寿命的关键因素。测试了低温时探测器在自由状态下和被安装在杜瓦组件内应变片的热输出,再利用两者的差值表征了探测器与杜瓦低温冷平台集成后的额外应变。以2000×512探测器组件为例,进行了测试验证分析,结果表明该方法可行。     

基于可靠性试验的InSb红外探测器失效机理研究

对于芯片加速寿命可靠性试验来说,温度是其中最重要的一环。首先,立足于芯片可靠性试验中温度的变化,探究高温烘烤对InSb红外探测器芯片光电性能的影响;然后对盲元的类型进行了分类,并总结出了像元损伤的可能原因;最后利用有限元分析软件对探测器结构进行了热应力仿真和分析,进一步明确了芯片碎裂的机理。由仿真结果可知,芯片中心位置受力较大,其值在680 MPa左右,这与InSb探测器中心位置易发生疲劳失效现象相吻合。提供了一种研究InSb探测器失效机理的新思路,对于高性能InSb红外探测器的研制具有一定的实际指导意义。     

半导体激光器非典型宏通道水冷散热系统设计

针对大功率半导体激光器散热系统展开设计研究。首先，对水冷散热系统的流体通道中的冷却液进行了流体分析，结果表明在传统矩形流体通道结构中，冷却液在进液口处和弯度较小处容易产生湍流空洞。湍流空洞不仅会产生空泡腐蚀效应，还会导致靠近热源的上层冷却液填充不充分，降低系统的散热效率；其次，在传统流体通道结构的基础上，提出了一种非典型宏通道结构的优化模型。采用有限元分析软件Fluent分别对散热模型的分布和激光器模块器件的分布进行了数值模拟，流场结果表明优化模型中冷却液流动时没有湍流空洞产生，散热系统可靠性更高，冷却液在流体通道的上层填充效果更好，同时解决了传统模型中流体在局部流道中流速缓慢的问题，使散热系统具备更良好的散热性能。接着又通过温度场仿真结果得出，优化模型搭建的散热系统工作时激光器最高温度可降低2 ℃，且热源1上温度更均匀，热源3上温度降低1.25 ℃；最后，在激光器满功率输出情况下进行的散热实验对比，获得的实验数据与仿真结果基本一致。     

128×128元锑化铟红外焦平面探测器热-应力耦合分析

考虑探测器在热冲击过程中由于传导降温非均匀引起的温度梯度分布,借助ANSYS软件对温度梯度影响下的锑化铟探测器进行热-应力耦合分析。依据热分析结果得到了热冲击下探测器的降温时间曲线,以此为基础进行热-应力耦合分析得到了探测器的应力分布,并以温度、时间为参考量将热冲击过程中InSb芯片上应力最大值变化与传统均匀降温方式下的应力最大值变化进行对比,结果表明器件内部存在温度梯度时,InSb芯片上的应力增加呈现出先快后慢现象,明显不同于均匀降温的线性增加;且应力增加主要集中在热冲击初始0～0.5 s时间段,如此短时间段内应力的急剧增加将严重影响探测器的可靠性。最后对传导降温方式下应力变化可能引起InSb芯片失效的原因进行了初步探讨,这对预测裂纹的发生提供了一定的帮助。     

光模块热分布的仿真与实验分析

建立了光模块三维模型,通过有限元仿真分析了器件工作时的温度分布特性。结果表明,屏蔽罩的存在阻挡了芯片换热,影响了芯片的散热效率;利用红外摄像机观测芯片的工作温度,并与仿真结果进行对比,验证了仿真结果的准确性。根据分析结论,提出了改进屏蔽罩结构以提高对流换热效率的优化设计措施。仿真结果表明此方法具有可行性,对光模块产品的结构设计与优化具有实际意义。