王成剛，東海杰

（華北光電技術(shù)研究所，北京，100015）

超長線列碲鎘汞紅外探測器拼接方式對(duì)比分析

王成剛，東海杰

（華北光電技術(shù)研究所，北京，100015）

紅外探測器以全天候觀測的優(yōu)勢在天文觀測、紅外遙感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著航天應(yīng)用對(duì)大視場、高分辨率探測的需求，線列紅外探測器規(guī)模要求越來越大。由于探測器材料、硅讀出電路加工工藝及固有熱適配等因素限制，單片線列探測器規(guī)模遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用需求，通過機(jī)械拼接方式制備超長線陣探測器成為一種可行手段。本文對(duì)航天工程對(duì)超長線列紅外探測器拼接方式進(jìn)行了對(duì)比分析，給出了各種常見拼接方式的特點(diǎn)及其適用性。

拼接方式；探測器模塊；拼接探測器；拼接襯底；交錯(cuò)方式

1 引 言

紅外探測器以全天候觀測的優(yōu)勢在天文觀測、紅外遙感等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著航天應(yīng)用對(duì)大視場、高分辨率紅外探測的需求，線列紅外探測器規(guī)模要求越來越大。國際上主流的碲鎘汞紅外焦平面探測器均采用了探測器芯片與硅讀出電路芯片倒裝互連的方式制備混成芯片，由于讀出電路芯片與探測器芯片材料熱膨脹系數(shù)存在差異，且常規(guī)的紅外探測器均需在低溫（80K左右）下工作，這導(dǎo)致探測器多次開關(guān)機(jī)后因材料之間熱適配導(dǎo)致器件性能劣化甚至失效，加之碲鎘汞材料不像硅晶圓一樣尺寸可做的很大，基于這些原因，航天各類應(yīng)用平臺(tái)對(duì)紅外探測器陣列規(guī)模（2000元、5000元、8000元等）的需求已經(jīng)超出了目前單模塊探測器芯片的研制極限。由于航天各類應(yīng)用平臺(tái)需要大規(guī)模線列探測器進(jìn)行大范圍掃描，因此需要通過單模塊探測器混成芯片進(jìn)行精密拼接實(shí)現(xiàn)更大規(guī)模陣列，滿足各類航天應(yīng)用平臺(tái)的需求。

2 各種線陣探測器拼接方式及特點(diǎn)分析

2.1 直線拼接方式

直線拼接方式是一種將探測器芯片與讀出電路芯片分別倒裝互連在同一拼接基板上，通過基板布線將探測器芯片與讀出電路芯片連接起來，以實(shí)現(xiàn)超長線列探測器的制備，如圖1所示。由于超長線列探測器無論是采用擺掃還是推掃方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)探測，均需要在掃描方向?qū)崿F(xiàn)無縫探測，因此這種拼接方式對(duì)探測器單模塊之間的拼接縫隙要求極高，需要采用特殊設(shè)計(jì)及工藝實(shí)現(xiàn)。這種拼接方式的缺點(diǎn)體現(xiàn)在：首先，這種方式對(duì)于單線列探測器的拼接尚可，但對(duì)TDI（時(shí)間延遲積分）型線列器件而言，由于像元間距的限制，如果參與TDI積分的像元數(shù)（比如6、8、12）增加時(shí)，通過基板布線進(jìn)行互連將變得困難，因此這種拼接方式比較適合單線列探測器或參與TDI的像元數(shù)較少的探測器；其次，這種拼接方式由于無法提前進(jìn)行拼接芯片的性能篩選，因此僅限于陣列規(guī)模不是很大的情況下可行，同時(shí)需要極為成熟的探測器芯片制備工藝來支撐，否則任一芯片性能不好會(huì)造成整個(gè)線列無法滿足使用要求。

圖1 Sofradir公司早期拼接結(jié)構(gòu)示意圖

法國Sofradir公司在早期長線列探測器制備時(shí)就采用了這種拼接方式，該公司采用倒裝互連工藝將5片碲鎘汞探測器芯片和10片硅讀出電路連接到寶石襯底上，完成1500×2中波、長波探測器芯片的拼接，由于采用的是倒裝互連工藝，因此拼接精度能保證在±3μm。這種拼接方案基于其低損傷劃片技術(shù)，保證相鄰兩片探測器首尾無縫拼接。圖2為早期的拼接結(jié)構(gòu)示意圖，圖3、圖4為Sofradir公司采用這種拼接方案拼接的中波1500×1及長波（中波）1500×2探測器芯片實(shí)物圖［2］。

圖2 直線拼接方式示意圖

圖3 Sofradir公司中波1500探測器芯片圖

圖4 Sofradir公司長波、中波1500探測器芯片圖

2.2 公共基板互連交錯(cuò)拼接方式

公共基板互連交錯(cuò)拼接方式是一種將探測器芯片與讀出電路芯片分別倒裝互連在同一互連基板上（過渡互連），通過基板上布線將探測器芯片與讀出電路芯片連接起來，形成子模塊，子模塊再以交錯(cuò)方式拼接在拼接基板上，拼接的奇、偶子模塊間成旋轉(zhuǎn)對(duì)稱，以實(shí)現(xiàn)超長線列探測器的制備，如圖5所示。這種拼接方式采用交錯(cuò)方式進(jìn)行拼接，在超長線列探測器掃描方向可以實(shí)現(xiàn)無縫探測，這種拼接方式解決了直線拼接方式中單個(gè)探測器無法單獨(dú)篩選的不足，在拼接之前每個(gè)子模塊均可進(jìn)行完全的性能篩選，同時(shí)可以通過子模塊篩選匹配對(duì)視場效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，以保證超長線列探測器響應(yīng)的均勻性。這種方式對(duì)于TDI型線列器件而言，同樣由于像元間距的限制，如果參與TDI積分的像元數(shù)增加時(shí)，通過公共基板布線設(shè)計(jì)及加工因素影響，電學(xué)連接將變得困難，因此這種拼接方式也是比較適合單線列探測器或TDI級(jí)數(shù)較小的線列探測器。

圖5 公共基板互連交錯(cuò)拼接方式示意圖

國內(nèi)中國科學(xué)院上海技術(shù)與物理研究所就采用了這種拼接方式完成了2048元探測器芯片的制備［3］。碲鎘汞探測器列陣和讀出電路分別通過In柱和一個(gè)公共襯底相連，兩者之間通過引線實(shí)現(xiàn)電學(xué)連接，形成拼接子模塊，并將8個(gè)256元拼接子模塊以交錯(cuò)拼接的方式拼接在襯底上。由于采用了過渡互連方式，寶石做襯底基板，因此拼接時(shí)夾持和位置調(diào)整比較容易，減少了對(duì)芯片損傷的幾率。圖6為2048元探測器拼接結(jié)構(gòu)。

圖6 2048元探測器拼接結(jié)構(gòu)

2.3 中心互連交錯(cuò)拼接方式

中心互連交錯(cuò)拼接方式是一種將探測器芯片與讀出電路芯片按照常規(guī)方式直接倒裝互連形成拼接子模塊，子模塊經(jīng)精密拼接以實(shí)現(xiàn)超長線列探測器的制備，如圖7所示。這種拼接方式采用交錯(cuò)方式進(jìn)行拼接，在超長線列探測器掃描方向可以實(shí)現(xiàn)無縫探測，這種拼接方式可實(shí)現(xiàn)拼接子模塊拼接前的性能篩選，篩選合格后再進(jìn)行拼接以實(shí)現(xiàn)超長線列探測器的制備；同時(shí)，由于這種方式采用了探測器芯片與讀出電路直接倒裝互連，不存在過度基板互連的電學(xué)布線問題，簡單易行。這種拼接方式的不足之處在于，每個(gè)拼接子模塊之間掃描方向像元有很大間距，不利于成像系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)。

圖7 中心互連交錯(cuò)拼接方式

2.4 單邊互連交錯(cuò)拼接方式

隨著軍事應(yīng)用對(duì)探測器陣列規(guī)模的需求越來越大，多譜段集成也越來越急迫，同時(shí)隨著拼接技術(shù)的不斷發(fā)展，單邊互連交錯(cuò)拼接方式成為了目前一種主流的拼接方式，該拼接方式是將探測器芯片與讀出電路芯片按照單邊方式直接倒裝互連形成拼接子模塊，子模塊經(jīng)精密拼接實(shí)現(xiàn)超長線列探測器的制備，如圖8所示。這種拼接方式設(shè)計(jì)是在讀出電路設(shè)計(jì)時(shí)將探測器互連區(qū)直接設(shè)計(jì)在讀出電路一側(cè)，以保證拼接子模塊之間掃描方向最小的拼接縫隙。單邊互連交錯(cuò)方式相比中心互連方式奇偶模塊之間的拼縫由原來20 mm左右縮短到2 mm左右，同時(shí)這種拼接方式還解決了以上三種拼接方式存在的不足，可以擴(kuò)展到更大規(guī)模陣列的精密拼接，最重要的一點(diǎn)是，這種拼接方式可以在同一模塊中實(shí)現(xiàn)多譜段集成拼接，實(shí)現(xiàn)多譜段長線列探測器制備。

圖8 單邊互連交錯(cuò)拼接方式

以色列SCD公司采用四片InSb 520×16探測器模塊完成了2048×16探測器芯片的拼接［4］。采用交錯(cuò)排列方式，相鄰的兩個(gè)子模塊旋轉(zhuǎn)180°，通過設(shè)計(jì)加工的高品質(zhì)的工裝定位標(biāo)識(shí)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，用In柱互連方式將4個(gè)模塊拼接在AlN拼接襯底上（襯底由高溫共燒工藝完成），2048×16拼接探測器見圖9。

圖9 2048×16探測器拼接

美國Rayson公司為NASA地球觀測與先進(jìn)陸地成像計(jì)劃（EO－1／ALI）提供的多光譜探器就采用了單邊互連交錯(cuò)拼接方式，每個(gè)拼接子模塊集成了多個(gè)譜段，再將5個(gè)子模塊機(jī)械拼接到基板上，實(shí)現(xiàn)了從全色可見光、近紅外、短波紅外的多色集成拼接探測器的制備［5］，圖10為EO－1／ALI多色拼接探測器結(jié)構(gòu)。

圖10 EO－1／ALI多色拼接探測器結(jié)構(gòu)

3 結(jié) 論

綜上所述，各種長線列探測器芯片拼接方式都有其優(yōu)點(diǎn)和不足，直線式直接拼接方式適用于單線列或TDI級(jí)數(shù)較少的線列探測器，由于受拼接模塊無法實(shí)現(xiàn)性能篩選，因此陣列規(guī)模通常較?。还不寤ミB交錯(cuò)拼接方式同樣適用于單線列探測器或TDI級(jí)數(shù)較少的線列探測器，但陣列規(guī)?？梢宰龅胶艽?；中心互連交錯(cuò)拼接方式不足之處為有效視場內(nèi)效率問題，不利于相機(jī)光學(xué)設(shè)計(jì)；單邊互連交錯(cuò)拼接方式優(yōu)點(diǎn)是有效視場內(nèi)效率高，根據(jù)拼接基板材料選擇的不同，拼接探測器陣列規(guī)?？梢詮那г?0000元以上規(guī)模，同時(shí)根據(jù)應(yīng)用需求，此拼接方式可以拓展用于多光譜探測器拼接。

［1］ C Arnold.Comparison of HgCdTe and quantum-well infrared photodetector dual-band focal plane arrays［J］. Opt.Eng.，2003，42（1）：30－46.

［2］ Philippe Tribolet，Philippe Chorier.Large infrared focal plane arrays for space applications［J］.ISTS，2002－n－40.

［3］ Li Yanjin，et al.Long-wave infrared 2048-elements linear HgCdTd focal plane array［J］.Infrared M illim.Waves，2009，28（4）：90－92.（in Chinese）李言謹(jǐn)，等.長波紅外2048元線列碲鎘汞焦平面器件［J］.紅外與毫米波學(xué)報(bào)，2009，28（4）：90－92.

［4］ M Zucker，IPivnik，EMalkinson，etal.Long Mid-wave infrared detector with time delayed integration［J］.Proc. SPIE，2003，4820：580－592.

［5］ Michael Dahlin.Advanced focal plane array systems for next-generation scanning remote sensing instrument［J］. SPIE，2003：4820.

Butted manner analysis of long linear infrared focal plane detectors of MCT

WANG Cheng-gang，DONG Hai-jie
（North China Research Institute of Electro-optics，Beijing 100015，China）

Infrared detectors are wildly used in space observation，remote sensing for their advanced feature.As the aerospace applications demand for high resolution and wide field of view，they are restricted by detectormaterial sizes，processing technology of silicon，thermalmismatch between detector and silicon circuit，somonolithic linear detectors can’tmeet the requirements ofaerospace applications.It is a practicalway to get very-long linear detectors using buttingmanner.In this paper，several butting techniques are discussed，and their property and applicability are presented.

butted manner；separate detector segments；butting detector；butting substrate； staggered format

TN214

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2013.08.016

1001-5078（2013）08-920-04

王成剛（1977－），男，碩士，主要從事紅外焦平面組件技術(shù)方面的研究。E-mail：wcgzcy77＠126.com

2012-12-25；

2013-02-22